Molekularna geometrija je izraz, ki opisuje tridimenzionalno obliko molekule glede na število osamljenih parov in vezanih atomov, ki obdajajo osrednji atom. Vsi osamljeni pari – nevezani pari elektronov – se uporabljajo pri določanju geometrije elektronskega para in jih je treba upoštevati v obliki molekule zaradi njihovega odbijajočega delovanja na vezane pare elektronov. Ta odboj med elektroni je tisto, kar vpliva na kote med vezanimi atomi in morebitnimi osamljenimi pari, ki obdajajo osrednji atom. Ti koti in ne število atomov, vezanih na osrednji atom, določajo molekularno geometrijo kovalentno vezanih molekul. Diagrami, ki primerjajo geometrijo elektronskega para in molekularno geometrijo, se običajno uporabljajo za prikaz učinkov osamljenih parov na obliko molekule, saj imajo molekule brez osamljenih parov enako geometrijo molekul in elektronskih parov.
Pri napovedovanju oblike molekule se uporablja preprosta teorija o tem, kako se elektroni obnašajo. Teorija odbijanja elektronskih parov valenčne lupine (VSEPR) pravi, da se bodo povezani in osamljeni pari valenčnih elektronov postavili čim dlje drug od drugega, kot je le mogoče. S to teorijo je mogoče natančno določiti geometrijsko obliko preprostih molekularnih spojin. Druge metode, kot je rentgenska kristalografija, so potrebne pri opisovanju oblike kompleksnih organskih molekul, vključno z genskim materialom in beljakovinami.
Najpreprostejša molekula ima en osrednji atom z dvema dodatnima atomoma, ki sta nanj vezana. Po teoriji VSEPR se bosta oba vezana atoma postavila čim dlje drug od drugega, kar bo povzročilo linearno obliko molekule. Koti med vezmi so 180 stopinj. Kovalentno vezane molekule s tremi atomi, ki obdajajo osrednji atom in brez osamljenih parov, imajo trigonalno plosko obliko. Ta molekula ima kote 120 stopinj med tremi vezanimi atomi in leži ravno v eni ravnini.
Da bi vsak vezan atom postavil čim dlje narazen, ima molekula s štirimi atomi, ki obdajajo osrednji atom in brez osamljenih parov, tetraedrsko obliko. Vsak vezni kot je 109.5 stopinj in tvori tetraeder z osrednjim atomom na notranji strani. Na enak način se z vsakim dodatnim atomom, ki je vezan na osrednji atom, oblika spremeni, ko se vezani atomi odrivajo drug od drugega. Ob prisotnosti osamljenih parov se spremeni molekularna geometrija atoma, saj osamljeni par izvaja tudi odboj. Molekula s tremi atomi in enim samotnim parom, ki obdaja osrednji atom, bo imela trigonalno piramidno obliko, pri čemer bo osrednji atom na vrhu piramide, trije pritrjeni atomi pa potisnejo osamljeni par v položaj pod osrednjim atomom.