Molekyylibiologia on biologian osa-alue, joka tarkastelee solujen toimintaa molekyylitasolla. Tieteenala sivuaa läheisesti biokemiaa, genetiikkaa ja solubiologiaa, ja myös molekyylilääketiede hyödyntää molekyylibiologian menetelmiä.
Käytännössä molekyylibiologia on keskittynyt tutkimaan geenien toimintaa, DNA:n rakennetta sekä proteiineja ja entsyymejä. Molekyylibiologialla on merkittävä rooli uusien lääkkeiden ja erilaisten hoitomenetelmien kehittelyssä.
Molekyylibiologia on yksi osa-alue astrobiologian tutkimusta. Molekyylibiologian merkitys nanotieteissä kasvaa koko ajan.