双原子分子指所有由两个原子组成的分子。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占地球大气层成分的 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。
金属在气态可能是双原子分子。金属的双原子分子的例子有锂(Li2)、钠(Na2)、钼(Mo2)和钨(W2)。其中，钼和钨的双原子分子是以六重键存在。
氢气 H2 | 氮气 N2 | 氧气 O2 | 氟气（法语：Difluor） F2 | 氯气 Cl2 | 溴气（法语：Dibrome） Br2 | 碘气（法语：Diiode） I2
氦二聚体 He2 | 二锂 Li2 | 双原子碳 C2 | 二钠（法语：Disodium） Na2 | 气态磷分子 P2 | 二硫 S2 | 铬 Cr2 | 钼 Mo2 | 钨 W2 | 砹 At2 | 铀 U2
双电子偶素 Ps2 | 双缈子偶素 Mu2
