双原子分子指所有由两个原子组成的分子。双原子分子内的化学键通常是共价键，分子间存在色散力和部分诱导力。

一切物质都由粒子构成，基本粒子有分子、原子等。当一个非金属元素不能当成是一种物质时，这个非金属元素组成的单质是双原子分子。很多非金属元素的单质均是双原子分子。其他元素，如磷，也可能以双原子分子构成单质，但这些双原子分子并不稳定。这些构成单质的双原子分子称为同核双原子分子。其中，氮和氧的同核双原子分子占地球大气层成份的 99%。

以双原子分子存在的化合物包括一氧化碳、一氧化氮等。这些双原子分子称为异核双原子分子。