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생화학·유전학·생물물리학과 같은 관련분야에서 발전되었으며 1940년대 이후 급속히 발달했다. 특히 생명현상에 필수적인 단백질, 핵산 및 효소 등과 같은 거대분자에 대해 연구한다.

분자생물학은 X선 회절법과 전자현미경적 연구기법을 통해 이러한 거대분자의 3차원적 구조를 알아내려고 하며, 특히 유전현상을 분자수준에서 규명하고자 한다. 분자생물학자들은 유전자들을 염색체 위의 특정 위치에 놓아 유전자 지도를 작성하고, 이러한 유전자와 생물체의 특정 형질을 연관시킨다. 그리고 DNA 재조합기술을 사용하여 유전자를 분리하고 변화시키기도 한다.

1940년대 초기의 분자생물학 연구는 단백질의 기본 3차구조를 밝히는 데 집중되었고, 1950년대초에는 단백질 구조에 관한 지식이 증가함에 따라 모든 생물체의 유전학적 청사진인 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid/DNA)의 구조가 밝혀지게 되었다. 그 이후보다 많은 연구를 통해 과학자들은 DNA와 리보핵산(ribonucleic acid/RNA)에 대해 자세히 알 수 있게 되었으며 세포와 바이러스에서 단백질합성을 지령하는 유전물질들에 대한 염기서열도 알아내게 되었다. 그러나 분자생물학은 어떤 세균의 염색체에 있는 DNA를 자르고 재조합할 수 있는 효소들이 발견되었던 1970년대까지는 거의 응용되지 못한 순수과학으로 남아 있었다.

현재는 식물과 동물의 기본형질을 결정하는 유전자서열을 변화시킬 수 있는 DNA 재조합기술이 분자생물학의 가장 유망한 연구분야 중 하나이다.