双原子分子内的化学键通常是共价键。很多非金属元素（包括氢、氮、氧、氟、氯、溴、碘等）的单质均是双原子分子。其他元素（如磷）也可能以双原子分子构成单质，但这些双原子分子并不稳定。这些构成单质的双原子分子称为同核双原子分子。其中，氮和氧的同核双原子分子佔地球大气层成份的 99%。以双原子分子存在的化合物包括一氧化碳、一氧化氮、氯化氢等。这些双原子分子称为异核双原子分子。
金属的双原子分子.金属在气态可能是双原子分子。金属的双原子分子的例子有锂(Li)、钠(Na)、钼(Mo)和钨