Os movimentos de translação e rotação, bem como o alongamento e a flexão da ligação, são os tipos básicos de movimento dentro das moléculas. Moléculas diferentes sofrem sobreposições diferentes dos movimentos básicos.
Todas as moléculas estão em constante movimento. Os graus de liberdade desse movimento dependem da fase da matéria das moléculas. Os sólidos têm a menor amplitude de movimento, seguidos pelos líquidos e depois pelos gases. A temperatura das moléculas é uma indicação de sua energia cinética. A temperatura mais alta aumenta diretamente o movimento translacional das moléculas, levando a uma maior velocidade de movimento em moléculas de líquido e gás e maior frequência e amplitude de vibração em moléculas sólidas.
A relação de Boltzmann relaciona linearmente a temperatura macroscópica com a energia cinética molecular através da constante de Boltzmann. Um aumento linear na temperatura é acompanhado por um aumento linear na energia cinética média de todas as moléculas em um sistema.
O movimento de rotação pode envolver a rotação de toda a molécula ou a rotação de partes da molécula em relação umas às outras em movimento de torção. Esse movimento só pode ocorrer nas fases gasosa e líquida, pois as moléculas são ligadas em posições fixas nos sólidos.
Os movimentos das moléculas determinam muitas propriedades físicas, incluindo a cor, que é determinada pela absorção e reemissão de fótons através das ligações, e reatividade química, que é determinada pela quantidade de energia necessária para formar ou quebrar as ligações.
