恒星分子（Stellar molecules）是存在恒星内或周围形成，并在恒星内或环绕在周围的分子。这种结构可以在温度很低，可以让分子形成，否则这颗恒星的物质就被限制为只有原子（化学元素）形成气体，或非常高温的等离子。
物质由原子（由质子和其他次原子粒子）组成。当环境适当时，原子可以结合在一起成为分子，这促成了研究许多材料的材料科学。但是某些环境，如高温，不允许原子结合成分子。恒星有很高的温度，特别是在其内部，因此只有少数分子能在恒星内形成。由于这个原因，一位化学家（研究原子与分子的人）不太需要研究恒星，反而是物理学家需要对恒星有更好的认识。然而，分子在恒星的低丰度并不等于没有分子，从上世纪90年代发表的许多科学论文，显示恒星中有分子存在的证据。
虽然太阳是一颗恒星，它的光球只有约6,000k的低温，因此分子可以形成。依据罗德·霍夫曼所说，恒星喷发物有丰富的分子。在1995年，L. Wallace和其他人在发表了一篇文章，显示在出太阳有水的证据；在2013年，S. Xu、M. Jura、D. Koster、B. Klein、和B. Zuckerman在天文物理期刊给了白矮星的恒星大气有氢分子的证据。
低温恒星的光谱有着分子吸收光谱波段的特征，类似的吸收带也在太阳上较冷的黑子光谱中被发现。在太阳发现的分子包括MgH、CaH、FeH、CrH、NaH、OH、VO、和TiO。
在2015年3月，NASA的科学家报告，利用起始的化学品，例如在陨石中发现的嘧啶，当局在外太空环境下的实验室，首度形成复杂的DNA和RNA等生命的有机化合物，包括尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺。依据科学家的研究，嘧啶，像 多环芳香烃（PAHs）是在宇宙中发现最多、富含碳的化合物，可能是在红巨星或星际尘埃和气体云中形成。
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