Biotehnologia moleculară este capacitatea de a modifica materialele genetice, precum și de a le transfera între celule organice, de către oamenii de știință dintr-un laborator. Ea implică utilizarea proteinelor recombinante pentru inginerie genetică, de exemplu, și crearea de produse care au un impact profund asupra vieții de zi cu zi. Manipularea proteinelor și a acizilor nucleici poate fi realizată cu organisme unicelulare, specii multicelulare și plante. Studiile moleculare ale biotehnologiei au un impact asupra sănătății, pe lângă agricultură, producție și mediu. Prin studierea proceselor biologice, este posibil să se creeze medicamente pentru o multitudine de boli, să se detecteze agenți patogeni din alimente și să se facă culturi rezistente la boli pentru a maximiza randamentul fermierilor.
O hartă completă a genomului uman a îmbunătățit biotehnologia moleculară, deoarece cunoașterea rolurilor fiecărei gene în boli și funcții ale corpului a ajutat la crearea unor medicamente și vaccinuri mai eficiente. Anticorpii împotriva bolilor au fost dezvoltați cu aceste informații, folosind cercetări de laborator și progrese în biologie. În biotehnologia moleculară a plantelor, este, de asemenea, posibil să se modifice genetica plantelor, astfel încât culturile să poată fi făcute pentru a rezista bolilor sau substanțelor precum erbicidele. Activele agricole, cum ar fi animalele, pot beneficia, de asemenea, deoarece ingineria genetică poate duce la caracteristici mai dezirabile pentru animalele vândute pe piață.
În domeniul biotehnologiei moleculare, microorganismele unicelulare pot fi în cele din urmă modificate pentru a crea enzime specifice, substanțe chimice și chiar antibiotice pentru utilizare în medicina umană. Pe lângă potențialul viitor din 2011, biotehnologia la nivel molecular este utilă pentru a face diagnostice în medicină. Medicii pot analiza probe de sânge pentru indicii subtile de boli, infecții și afecțiuni cardiovasculare prin detectarea unor volume mici de molecule. De asemenea, substanțele biochimice pot fi modificate pentru a fi utilizate în aplicații comerciale, astfel încât compușii bioluminiscenți pot fi utilizați pentru a crea etichete sau pentru a dezvolta echipamente adaptate pentru analiza probelor de laborator.
Biotehnologia moleculară marine este o altă parte semnificativă a domeniului, deoarece atât de multe microorganisme utile se găsesc în oceane, lacuri și râuri. Oceanele sunt în centrul atenției organismelor pentru a studia, a obține informații despre genetică și, eventual, a găsi noi medicamente. La fel ca multe aspecte ale biotehnologiei moleculare, știința marine continuă să fie cercetată. Multe domenii ale domeniului sunt deschise pentru a studia la multe instituții de învățământ superior din Statele Unite, inclusiv cele specializate în științe marine. Cercetarea începe chiar la nivelul studenților, astfel încât progresele în biotehnologie sunt atât benefice pentru știință, cât și pentru piața muncii în acest sector în expansiune al economiei.