Geometria moleculară este un termen care descrie forma tridimensională a unei molecule, dat fiind numărul de perechi singure și de atomi legați care înconjoară un atom central. Orice perechi singuratice – perechi de electroni nelegați – sunt utilizate la determinarea geometriei perechii de electroni și trebuie luate în considerare în forma moleculei datorită acțiunii lor repulsive asupra perechilor de electroni legați. Această repulsie între electroni este cea care afectează unghiurile dintre atomii legați și orice pereche singuratică din jurul atomului central. Aceste unghiuri, mai degrabă decât numărul de atomi atașați la atomul central, definesc geometria moleculară a moleculelor legate covalent. Diagramele care compară geometria perechii de electroni și geometria moleculară sunt utilizate în mod obișnuit pentru a arăta efectele perechilor singure asupra formei moleculei, deoarece moleculele fără perechi singure au aceeași geometrie moleculară și a perechilor de electroni.
O teorie simplă a modului în care se comportă electronii este utilizată atunci când se prezică forma unei molecule. Teoria repulsie a perechii de electroni a cochiliei de valență (VSEPR) afirmă că perechile de electroni de valență legați și singuri se vor poziționa cât mai departe unul de celălalt posibil. Folosind această teorie, forma geometrică a compușilor moleculari simpli poate fi determinată cu precizie. Alte metode, cum ar fi cristalografia cu raze X, sunt necesare atunci când se descrie forma moleculelor organice complexe, inclusiv materialul genetic și proteinele.
Cea mai simplă moleculă are un atom central cu doi atomi suplimentari legați de el. Conform teoriei VSEPR, cei doi atomi legați se vor poziționa cât mai departe unul de celălalt posibil, rezultând o formă moleculară liniară. Unghiurile dintre legături sunt de 180 de grade. Moleculele legate covalent cu trei atomi care înconjoară un atom central și fără perechi singure au o formă plană trigonală. Această moleculă are unghiuri de 120 de grade între cei trei atomi atașați și se află plat într-un singur plan.
Pentru a poziționa fiecare atom legat cât mai departe, o moleculă cu patru atomi care înconjoară un atom central și fără perechi singure are o formă tetraedrică. Fiecare unghi de legătură este de 109.5 grade, formând un tetraedru cu atomul central în interior. În același mod, cu fiecare atom suplimentar legat de atomul central, forma se schimbă pe măsură ce atomii legați se îndepărtează unul de celălalt. Odată cu prezența perechilor singure, geometria moleculară a atomului se modifică, deoarece perechea singură exercită și repulsie. O moleculă cu trei atomi și o pereche singură care înconjoară un atom central va avea o formă piramidală trigonală, cu atomul central în vârful piramidei și cei trei atomi atașați împinși de perechea singură într-o poziție sub atomul central.