科学家们发现，宇宙中星际之间的空间并非绝对真空，而是存在着无机分子和有机分子，并且把星际空间存在的分子叫做星际分子。
自从1963年应用射电天文学方法检测星际分子获得成功以来，这方面的研究取得很大进展，又在星际空间和邻近的河外星系中，陆续找到了许多种子，到70年代末期已经确认的星际分子有50多种。每种分子往往有几个乃至上百个分子源，这些分子源分布在星际空间中物理条件不同的各个区域。有些分子分布很广，可以用来研究银河系和其他星系的旋臂结构；也有的分子只在非常致密的星云中才能找到。位于电离氢区的猎户座A星云、在银心方向的人马座A和人马座B两座星云，都是十分丰富的分子源，从中能找到已发现在绝大多数星际分子。
在现已发现的星际分子中，大部分是有机分子。如甲醛、氰基乙炔、甲酸、四酸、甲酰胺、乙腈、甲基乙炔、乙醛、甲亚胺、四醚、乙醉、乙炔、氰基丁二炔、乙烯酮、甲烷、氰基辛四炔等，其中最重的是由11个原子组成的氰基辛四炔。还有一些是地球上没有的天然样品，甚至在实验室中也很难稳定存在的分子，如氰基辛四炔、氢化偶氮离子、甲酰离子、双原子碳等。天文观测还发现了不少星际分子的同位素分子，这是一种了解同位素丰度比的重要途径。
近年来，星际分子的观测和研究工作已经得到丰富的数据和重要成果。观测星际分子的主要工具是射电望远镜，星际物质中的气态分子在一定条件下产生的特征谱线称为星际分子射电谱线，绝大多数星际分子是靠分米至毫米波段的星际分子射电谱线发现的，也有少数分子只观测到它们的可见光、紫外和红外波段的谱线。这就突破了大气窗口的限制，使我们能够观测到由于强烈的大气吸收而在地面上无法观测到红外、紫外等波段的谱线。星际分子的研究对天体演化、银河结构和宇宙化学等学科都有重要的意义。
目前，关于星际分子的形成过程和化学演化还不太清楚，有由电离的原子或分子碰撞形成和靠气体云中的尘埃帮助催化形成等说法。弄清星际分子特别是有机分子的形成原因和过程，以及它们与地球上生命起源的关系，是星际化学的重要课题。
