Sinh học phân tử là một phân ngành sinh học nhằm nghiên cứu cơ sở phân tử của các hoạt động sinh học bên trong và giữa các tế bào, bao gồm quá trình tổng hợp, biến đổi, cơ chế, và tương tác phân tử. Nghiên cứu cấu trúc hóa học và vật lý của các đại phân tử được gọi là sinh học phân tử. Sinh học phân tử lần đầu tiên được mô tả là một phương pháp tiếp cận tập trung vào nền tảng của các hiện tượng sinh học, nhằm khám phá cấu trúc và các tương tác của những phân tử sinh học, và cách những tương tác này giải thích các hiện tượng của sinh học.
Năm 1945, thuật ngữ "sinh học phân tử" được sử dụng bởi nhà vật lý William Astbury. Sự phát triển trong lĩnh vực sinh học phân tử xảy ra khá muộn do cơ thể sinh vật là một hệ thống phức tạp, và cách tiếp cận đơn giản và thuận tiện nhất là sử dụng các vi khuẩn và thể thực khuẩn chỉ có thể đưa ra thông tin về quá trình sinh học cơ bản. Vào năm 1953, hai nhà khoa học trẻ lúc bấy giờ tên Francis Crick và James Watson làm việc tại đơn vị Hội đồng Nghiên cứu Y khoa, phòng thí nghiệm Cavendish, Cambridge (nay là Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử MRC), đã tạo ra một mô hình mạch xoắn kép của DNA. Mô hình mới này đã thay đổi toàn bộ cấu trúc DNA mà họ đã đề xuất trước đó dựa trên các nghiên cứu được thực hiện bởi Rosalind Franklin và Maurice Wilkins. Sau mô hình cấu trúc DNA, các nghiên cứu của hai nhà khoa học tập trung chủ yếu vào mục tiêu tìm ra DNA bên trong các vi sinh vật, thực vật, và động vật khác. Sinh học phân tử không chỉ đơn giản là nghiên cứu các phân tử và sự tương tác của chúng. Nói chính xác hơn, sinh học phân tử là tập hợp các kỹ thuật được phát triển kể từ khi lĩnh vực này mới bắt đầu, cho phép các nhà khoa học tìm hiểu về các quá trình phân tử. Một kỹ thuật đáng chú ý đã cách mạng hóa lĩnh vực này là phản ứng chuỗi polymerase (tiếng Anh: Polymerase Chain Reaction hay PCR), được phát triển vào năm 1983. PCR là một phản ứng khuếch đại một lượng nhỏ DNA, và được sử dụng trong nhiều trong các ngành khoa học.
Luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử cho rằng dòng thông tin chạy theo một chiều từ DNA đến mRNA rồi đến protein. Quá trình phiên mã, dịch mã và sao chép DNA tuân theo quy luật này. Một ngoại lệ phát hiện thấy ở một số virus mang RNA, có quá trình gọi là phiên mã ngược, tạo ra một bản sao DNA từ RNA hệ gen của chúng. Sinh học phân tử đóng một vai trò quan trọng trong sự hiểu biết về cấu trúc, chức năng, và quá trình kiểm soát nội môi bên trong các tế bào. Tất cả những tri thức trên đều có thể được sử dụng để phát triển các loại thuốc và phuơng pháp chẩn đoán bệnh mới, và hiểu rõ hơn về các quá trình sinh lý của tế bào. Một số nghiên cứu lâm sàng và liệu pháp y tế phát triển từ sinh học phân tử được sử dụng trong liệu pháp gen. Trong khi đó, việc sử dụng sinh học phân tử hoặc sinh học tế bào phân tử trong y học hiện nay được gọi là y học phân tử.