A dispetto del senso comune, esistono molecole dappertutto nel cosmo: ad oggi oltre 170 molecole sono state individuate in varie regioni cosmiche, dalle atmosfere stellari alle comete, dalle regioni di formazione stellare alle nubi diffuse, dalle atmosfere planetarie fino alle lontane galassie (in figura, una tabella riassuntiva delle specie identificate finora; clicca qui per vederla ingrandita).

Si tratta di molecole semplici (H₂, CO, CH, H₂O, NH₃, ...) organiche e inorganiche, ma esistono anche molte molecole complesse (metanolo, formaldeide, acido formico, acido acetico, cianopoline,...), molte delle quali di interesse prebiotico.

Lo studio della presenza molecolare nell'Universo è possibile grazie alla conoscenza dei meccanismi di interazione con la radiazione stellare e interstellare.
Le molecole, infatti, immerse in un campo di radiazione possono ruotare e/o vibrare. Inoltre, se l'energia è sufficientemente alta, possono modificare la loro configurazione elettronica, con una transizione ad uno stato elettronico più alto.

Questo tipo di fenomeni determina la formazione di spettri caratteristici, una specie di "impronta digitale" che identifica in modo univoco la molecola: le transizioni elettroniche, con la loro conseguente diseccitazione, determinano la formazione di righe con frequenze caratteristiche nella parte ultravioletta dello spettro; le transizioni vibrazionali hanno energie caratteristiche nell'infrarosso, mentre le transizioni rotazionali presentano spettri tipici tra il lontano infrarosso e le microonde.

La conoscenza combinata della struttura e delle proprietà ottiche delle molecole (la cosiddetta "astrochimica") permette quindi l'individuazione e lo studio della presenza molecolare, uno strumento formidabile con cui misurare la densità, la temperatura e la distribuzione di massa ed energia elettromagnetica nella nostra Galassia e nell'Universo esterno. Le molecole sono, infatti, ad un tempo testimoni ed agenti di quasi ogni processo in atto nell'Universo, su ogni scala: le loro "firme" spettroscopiche ci informano sulle condizioni fisico-chimiche in cui vengono generate, fornendoci una dettagliata immagine dell'Universo.