Molekularna geometrija je pojam koji opisuje trodimenzionalni oblik molekule, s obzirom na broj usamljenih parova i vezanih atoma koji okružuju središnji atom. Bilo koji usamljeni parovi – nevezani parovi elektrona – koriste se pri određivanju geometrije elektronskog para i moraju se uzeti u obzir u obliku molekule zbog njihovog odbojnog djelovanja na vezane parove elektrona. Ovo odbijanje između elektrona je ono što utječe na kutove između povezanih atoma i svih usamljenih parova koji okružuju središnji atom. Ti kutovi, a ne broj atoma vezanih za središnji atom, definiraju molekularnu geometriju kovalentno vezanih molekula. Grafikoni koji uspoređuju geometriju elektronskog para i molekularnu geometriju obično se koriste za prikaz učinaka usamljenih parova na oblik molekule, budući da molekule bez osamljenih parova imaju istu molekularnu geometriju i geometriju elektronskog para.
Jednostavna teorija o ponašanju elektrona koristi se kada se predviđa oblik molekule. Teorija odbijanja elektronskih parova valentne ljuske (VSEPR) navodi da će se vezani i usamljeni parovi valentnih elektrona postaviti što dalje jedan od drugoga koliko god je to moguće. Koristeći ovu teoriju, geometrijski oblik jednostavnih molekularnih spojeva može se točno odrediti. Druge metode, kao što je rendgenska kristalografija, potrebne su kada se opisuje oblik složenih organskih molekula uključujući genetski materijal i proteine.
Najjednostavnija molekula ima jedan središnji atom s dva dodatna atoma vezana na njega. Prema VSEPR teoriji, dva povezana atoma će se postaviti što dalje jedan od drugog, što rezultira linearnim molekularnim oblikom. Kutovi između veza su 180 stupnjeva. Kovalentno vezane molekule s tri atoma koji okružuju središnji atom i bez osamljenih parova imaju trigonalni planarni oblik. Ova molekula ima kutove od 120 stupnjeva između tri spojena atoma i leži ravno u jednoj ravnini.
Kako bi se svaki vezani atom smjestio što dalje jedan od drugoga, molekula s četiri atoma koja okružuju središnji atom i bez usamljenih parova ima tetraedarski oblik. Svaki vezni kut je 109.5 stupnjeva, tvoreći tetraedar sa središnjim atomom iznutra. Na isti način, sa svakim dodatnim atomom vezanim za središnji atom, oblik se mijenja kako se povezani atomi udaljavaju jedan od drugog. Prisutnošću usamljenih parova mijenja se molekularna geometrija atoma, budući da usamljeni par također ima odbojnost. Molekula s tri atoma i jednim usamljenim parom koji okružuje središnji atom imat će trigonalni piramidalni oblik, sa središnjim atomom na vrhu piramide, a tri vezana atoma gurnuta usamljenim parom u poziciju ispod središnjeg atoma.