雙原子分子指所有由兩個原子組成的分子。雙原子分子內的化學鍵通常是共價鍵。
很多非金屬元素（包括氫、氮、氧、氟、氯、溴、碘等）的單質均是雙原子分子。其他元素（如磷）也可能以雙原子分子構成單質，但這些雙原子分子並不穩定。這些構成單質的雙原子分子稱為同核雙原子分子。其中，氮和氧的同核雙原子分子佔地球大氣層成份的 99%。
以雙原子分子存在的化合物包括一氧化碳、一氧化氮等。這些雙原子分子稱為異核雙原子分子。
