分子生物学（ぶんしせいぶつがく、Molecular biology）は、生命現象を分子を使って説明（理解）すること目的とする学問である。現在では、脳、再生、免疫、癌などに研究対象が広く拡大しており、21世紀の現在、生物学の主流ともいえる。
当初は、タンパク質の分子構造を明らかにしその機能との関係を研究する領域も分子生物学と呼ばれたが、現在ではこれは構造生物学と呼ばれ区別されることが多い。しかし、分子生物学と密接な関係にあることには変わりない。
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分子生物学はワトソンとクリックによるDNA二重螺旋モデルの提唱によって始まった。さらに、ポーリングらによる蛋白質の二次構造となるαヘリックスの発見が続き、これらの成果に基づき、従来の生化学的な化学反応論を超えて分子というキーワードで生命現象を説明できるようになった。複雑な数式や化学反応式にとらわれることなく視覚的に現象を理解できることが、分子生物学への敷居を低くし、多くの若い研究者の分子生物学への参入につながり、分子生物学が爆発的に発展した。
確立された1950年代当初は、その研究対象が殆どバクテリアとファージに限られていたため、もっぱらバクテリアの遺伝子とそこからの情報の流れであるセントラルドグマを中心とする研究のことを分子生物学と呼んでいた。だが、2000年代の現代においては、遺伝子の転写や翻訳、DNAの複製や修復、細胞周期、細胞内シグナル伝達などの細胞レベルの研究から、細胞間接着、発生、神経の機能、遺伝病の原因解明等、生命を研究対象とする殆ど全ての生物学は分子生物学の対象となっている。