Den molekylære geometrien kan bestemmes ved forskjellige spektroskopiske- og diffraksjons-metoder. IR-, rotasjonel- og Raman-spektroskopi kan gi informasjon om molekylgeometrien fra detaljene i vibrasjons- og rotasjonsabsorbansen detektert av disse teknikkene. Røntgenkrystallografi, nøytronspredning og elektrondiffraksjon kan gi molekylstruktur for krystallinske faste stoffer basert på avstanden mellom kjerner og konsentrasjon av elektrontetthet. Gasselektrondiffraksjon kan brukes for små molekyler i gassfasen. NMR- og FRET-metoder kan brukes til å bestemme komplementær informasjon, inkludert relative avstander, dihedrale vinkler, vinkler og tilkobling. Molekylære geometrier bestemmes best ved lav temperatur fordi ved høyere temperaturer beregnes gjennomsnittet av molekylstrukturen over flere tilgjengelige geometrier. Større molekyler eksisterer ofte i flere stabile geometrier (konformasjonsisomerisme) som er nær energi på den potensielle energioverflaten. Geometrier kan også beregnes ved ab initio kvantekjemimetoder med høy nøyaktighet. Den molekylære geometrien kan være forskjellig som i et fast stoff, i løsning og som en gass.