分子論の歴史
19世紀

こうした考え方と同様に、1803年、ジョン・ドルトンは、最も軽い元素である水素の原子量を1として、たとえば無水亜硝酸の比率は2対3であり、N2O3という式を得ると判定した。ドルトンは、原子が「噛み合って（hooked）」分子を形成していると誤って想像していた。その後、1808年にドルトンは、有名な「結合した原子（atoms）の図」を発表した。
「分子（molecule）」という言葉はアメデオ・アヴォガドロが作り出した。1811年の論文『物体の素分子の相対質量の決定に関するエッセイ（Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies）』で、彼は本質的に次のように述べている。すなわち、パーティントン（英語版）の『化学の歴史（A Short History of Chemistry）』によると、
気体の最小粒子は必ずしも単純な原子ではなく、これらの原子が特定の数だけ引力で結合して一個の（）を形成している。
なお、この引用文は直訳ではないことに留意すること。アボガドロは、原子と分子の両方に「分子」という名称を使用している。具体的には、原子を指して「基本分子（elementary molecule）」と呼び、さらに面倒なことに「化合物分子（compound molecules）」や「複合分子（composite molecules）」とも呼んでいる。
アボガドロはヴェルチェッリに滞在中、簡潔なメモ（memoria）を書き、その中で、現在アボガドロの法則と呼ばれている「同温・同圧のもと、同体積の気体は同数の分子を含む」という仮説を宣言した。この法則は、同じ温度と圧力のもとで、同じ体積の異なる気体の質量の間に生じる関係が、それぞれの分子量の間の関係に対応することを意味している。そのため、気体試料の質量から相対分子量を計算することができるようになった。
アボガドロは、1808年にジョセフ・ルイス・ゲイ＝リュサックが発表した気体の反応体積比に関する法則と、1803年ドルトンが発表した原子論とを調和させるために、この仮説を打ち立てた。アボガドロが解決しなければならなかった最大の難問は、原子と分子に関する当時の大混乱であった。アボガドロの業績のうち最も重要な功績の一つは、単純な粒子も分子で構成され得ること、そしてそれが原子で構成されていることを認め、両者を明確に区別したことである。これに対してドルトンは、そのような可能性を考えなかった。不思議なことに、アボガドロは偶数個の原子を含む分子だけを考慮し、なぜ奇数個を除外したのかは述べていない。
1826年、フランスの化学者ジャン＝バティスト・デュマは、アボガドロの研究を基に、次のように述べている。
同じような状況下にある気体は、同じ距離に置かれた（）や原子（atoms）から構成されており、これは、同じ体積に同じ数の分子や原子が含まれていると言っているのと同じである。
こうした考え方と同調して、1833年にフランスの化学者マルク・アントワーヌ・オーギュスト・ゴーダン（英語版）は、アボガドロの原子量に関する仮説を、直線状の水分子のような半正確な分子形状と、H2Oのような正確な分子式の両方を明確に示す「体積図（volume diagrams）」を使って明確に説明した。
フリードリヒ・アウグスト・ケクレは、『元素の原子性に関する理論』（1857-58）をまとめた2つの論文で、有機分子のすべての原子が他のすべての原子にどのように結合しているかについての理論を初めて提示した。彼は、炭素原子は4価であり、互いに結合して有機分子の炭素骨格を形成することができると提唱した。
1856年、スコットランドの化学者アーチボルド・クーパーは、パリのシャルル・ヴュルツの研究室でベンゼンの臭素化（英語版）について研究を始めた。ケクレの2番目の論文が発表されてから1ヵ月後、クーパーの独立した、ほとんど同一の分子構造の理論が発表された。彼は分子構造について「現代のティンカートイ（英語版）のように、原子は互いに結合して特定の立体構造をとる」と非常に具体的な考えを提示した。また、クーパーは、結合を表すために括弧を使った古い方法と組み合わせて、原子と原子の結合を実線を使って表す方法を初めて採用し、いくつかの分子では原子の直鎖を仮定し、また酒石酸やシアヌル酸のような分子では環状構造を仮定した。後の出版物では、クーパーの結合は、下図のエタノールやシュウ酸のように、まっすぐな「点線」を用いて表現されている（これが植字工の好みであるかどうかは不明）。
1861年、ウィーンの無名の高校教師ヨハン・ヨーゼフ・ロシュミットが自費出版した「化学研究 I（Chemische Studien I）」という冊子には、環状構造と二重結合構造の両方を示す先駆的な分子像が掲載された。
また、ロシュミットはベンゼンの式の可能性も示唆したが、この問題は未解決のままであった。1865年に、ベンゼンの現代的な構造を最初に提唱したのはケクレである。ベンゼンが環状である特徴は、結晶学者のキャスリーン・ロンスデールによって、最終的に確認された。ベンゼンは、すべての結合を説明するために、炭素の二重結合が交互に存在しなければならないという点で、特別な問題を提示する。
1865年、ドイツの化学者アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンは、英国王立研究所での講義で使用する球と棒の分子模型（下図のメタンなど）を初めて作成した。
この模型は、1855年に同僚のウィリアム・オドリング（英語版）が提唱した「炭素は4価である」という説に基づいている。ホフマンの配色は、炭素=黒、窒素=青、酸素=赤、塩素=緑、硫黄=黄、水素=白であり、現在でも使用されている。ホフマンのモデルの欠点は、炭素の結合が四面体ではなく平面で示されていることや、原子の大きさが比例していないなど（水素よりも炭素が小さい）、基本的に幾何学的なものであった。
1864年、スコットランドの有機化学者アレキサンダー・クラム・ブラウン（英語版）は、原子の記号を円で囲み、それぞれの原子の価数を満たすように破線でつないだ分子の絵を描き始めた。
1873年は、多くの人々によると「分子」の概念が発展してゆく歴史上で重要な年であったと言われている。この年、スコットランドの著名な物理学者であるジェームス・クラーク・マクスウェルが、Nature 9月号に13ページにわたる有名な論文『分子（Molecules）』を発表した。この論文の冒頭で、マクスウェルは次のように明確に述べている。
原子とは2つに切断できない物体であり、 () とは、ある特定の物質の可能な限りの最小部分である。
マクスウェルはデモクリトスの原子論について述べた後、「分子（molecule）」という言葉が現代の言葉であると語っている。彼は、『それはジョンソンの辞書（英語版）には載っていない。この言葉が体現するのは、近代化学に属する考え方である。』と述べている。「原子」は物質的な点であり、「潜在的な力（potential forces）」に覆い囲まれ、「飛んでいる分子（flying molecules）」が固体に絶え間なく衝突すると、空気や他の気体の圧力と呼ばれるものが発生すると言われている。しかし、この時点でマクスウェルは、誰も分子を見たことも、扱ったこともないと指摘する。
1874年、ヤコブス・ヘンリクス・ファント・ホッフとジョセフ・アキール・ル・ベル（英語版）は、炭素原子と隣接する原子との化学結合が正四面体の角に向いていると仮定することで、光学活性の現象が説明できることを、独自に提唱した。これによって、分子の立体的な性質がよりよく理解できるようになった。
エミール・フィッシャーは、2次元の紙面上に3次元の分子を表示するフィッシャー投影式を開発した。
1898年、ルートヴィッヒ・ボルツマンは『気体論講義（Lectures on Gas Theory）』の中で、原子価理論を用いて気相分子の解離現象を説明し、その際に原子軌道の重なりの初歩的かつ詳細な図を初めて描いた。ボルツマンは、最初にヨウ素分子の蒸気が高温になると原子に解離するという既知の事実に着目し、2つの原子から構成される分子、ボルツマンの言う「二重原子（double atom）」の存在を、2つの原子の間に働く引力で説明しなければならないと述べている。ボルツマンは、この化学的引力は、化学的価数に関する特定の事実によって、原子の表面にある「感度領域（sensitive region）」という比較的小さな領域と関連しているに違いないと述べている。
ボルツマンは、この感度領域は原子の表面にあるか、あるいは部分的に原子の内部にあり、原子としっかりと結合している可能性があると述べている。具体的には、『2つの原子の感度領域が接触しているか、一部が重なっている場合のみ、2つの原子の間に化学的な引力が生じる。そのとき、両者は化学的に結合していると言う。』と述べた。この図の詳細は次のとおりで、原子Aのα感度領域と原子Bのβ感度領域が重なっていることを示している。