Kimyasal yapının belirlemesi, bir kimyagerin hedef molekülün moleküler geometrisini ve -uygun ve gerekli olduğunda- elektronik yapısını belirlemesini içerir. Moleküler geometri, bir moleküldeki atomların uzamsal düzenini ve atomları bir arada tutan kimyasal bağları ifade eder ve yapısal formüller ile moleküler modeller kullanılarak temsil edilebilir; eksiksiz elektronik yapı açıklamaları, bir molekülün moleküler orbitallerinin konumunun belirlenmesini içerir. Yapı belirleme, çok basit moleküllerden (örneğin, iki atomlu oksijen veya nitrojen) çok karmaşık olanlara (örneğin, protein veya DNA gibi) kadar bir dizi hedefe uygulanabilir.
Kimyasal yapı teorileri ilk olarak 1858'den itibaren August Kekulé, Archibald Scott Couper ve Aleksandr Butlerov tarafından geliştirilmiştir. Bu teoriler kimyasal bileşiklerin rastgele bir atomlar ve fonksiyonel gruplar kümesi olmadıklarını, daha ziyade molekülü oluşturan atomların değerlikleri ile tanımlanan belirli bir düzene sahip olduklarını ifade eder.
Bir molekülün yapısının aydınlatılabileceği yöntemler, nükleer manyetik rezonans (proton ve karbon-13 NMR) gibi spektroskopilerini, çeşitli kütle spektrometrisi yöntemlerini (genel moleküler kütleyi ve parça kütlelerini verir) ve uygulanabilir olduğunda x-ışını kristalografisini içerir. X-ışını kristalografi, kristaller mevcut olduğu sürece atomik ölçekli çözünürlükte üç boyutlu modeller üretebilir.