Molekularna biotehnologija je sposobnost da znanstvenici u laboratoriju mijenjaju genetske materijale, kao i da ih prenose između organskih stanica. To uključuje korištenje rekombinantnih proteina za genetski inženjering, na primjer, i stvaranje proizvoda koji imaju dubok utjecaj na svakodnevni život. Manipulacija bjelančevinama i nukleinskim kiselinama može se postići kod jednostaničnih organizama, višestaničnih vrsta i biljaka. Biotehnološke molekularne studije imaju utjecaj na zdravlje, osim na poljoprivredu, proizvodnju i okoliš. Proučavanjem bioloških procesa moguće je stvoriti lijekove za bezbroj bolesti, otkriti patogene u hrani i napraviti usjeve otporne na bolesti kako bi se povećao prinos poljoprivrednicima.
Potpuna karta ljudskog genoma poboljšala je molekularnu biotehnologiju, jer je poznavanje uloge svakog gena u bolestima i tjelesnim funkcijama pomoglo u stvaranju učinkovitijih lijekova i cjepiva. Antitijela na bolesti razvijena su s ovim informacijama, koristeći laboratorijska istraživanja i napredak u biologiji. U molekularnoj biljnoj biotehnologiji također je moguće promijeniti genetiku biljaka kako bi se usjevi mogli oduprijeti bolestima ili tvarima kao što su herbicidi. Poljoprivredna imovina kao što je stoka također može imati koristi jer genetski inženjering može dovesti do poželjnijih karakteristika životinja koje se prodaju na tržištu.
U području molekularne biotehnologije, jednostanični mikroorganizmi mogu se na kraju promijeniti kako bi stvorili specifične enzime, kemikalije, pa čak i antibiotike za upotrebu u ljudskoj medicini. Osim budućeg potencijala protekle 2011. godine, biotehnologija na molekularnoj razini korisna je za postavljanje dijagnoza u medicini. Liječnici mogu analizirati uzorke krvi na suptilne naznake bolesti, infekcija i kardiovaskularnih stanja otkrivanjem malih količina molekula. Biokemikalije se također mogu modificirati za korištenje u komercijalnim aplikacijama, tako da se bioluminiscentni spojevi mogu koristiti za izradu naljepnica ili razvoj opreme prilagođene za analizu laboratorijskih uzoraka.
Morska molekularna biotehnologija je još jedan značajan dio polja jer se toliko korisnih mikroorganizama nalazi u oceanima, jezerima i rijekama. Oceani su fokus organizama za proučavanje, stjecanje informacija o genetici i potencijalno pronalaženje novih lijekova. Poput mnogih aspekata molekularne biotehnologije, znanost o moru i dalje se istražuje. Mnoga područja polja otvorena su za studiranje na mnogim visokoškolskim ustanovama diljem Sjedinjenih Država, uključujući ona specijalizirana za znanost o moru. Istraživanja počinju čak i na razini studenata, tako da je napredak u biotehnologiji koristan za znanost, kao i za tržište rada u ovom rastućem sektoru gospodarstva.