protein sentezi arasındaki ilişkileri ve bu etkileşimlerin düzenlenmesini anlamakla ilgilidir. Diğer biyolojik bilimlerle, özellikle genetik ve biyokimya ile önemli ölçüde örtüşmektedir.

Moleküler biyologlar, nükleik asitleri ve proteinleri incelemek için polimeraz zincir reaksiyonu (PCR), DNA ve RNA dizilimi, DNA mikrodizileri ve nükleik asit elektroforezi gibi çeşitli teknikler kullanırlar. PCR, belirli bir DNA dizisinin binlerce ila milyonlarca kopyasını birkaç saat içinde üreten bir DNA parçasını çoğaltmak için kullanılan bir tekniktir. DNA dizilimi, bir DNA zincirindeki nükleotidlerin sırasının belirlenmesidir, RNA dizilemesi ise gen ekspresyon modellerini ve transkriptomikleri analiz etmek için bir numunedeki RNA'nın miktarını ve dizilerini inceler. DNA mikrodizileri, cam, silikon çip veya mikroskobik boncuklar gibi katı bir destek üzerinde hareketsizleştirilmiş gen dizilerinin bir koleksiyonudur. Bu diziler, moleküler biyologların aynı anda on binlerce genin ekspresyonunu ölçmelerine ve bir genomun birden fazla bölgesini genotiplemelerine olanak tanır. Nükleik asit elektroforezi, boyut ve elektrik yükü temelinde DNA, RNA ve proteinleri ayırmanın bir yoludur.