Η μοριακή βιοτεχνολογία είναι η ικανότητα αλλαγής γενετικών υλικών, καθώς και μεταφοράς τους μεταξύ οργανικών κυττάρων, από επιστήμονες σε εργαστήριο. Περιλαμβάνει τη χρήση ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών για τη γενετική μηχανική, για παράδειγμα, και τη δημιουργία προϊόντων που έχουν βαθύ αντίκτυπο στην καθημερινή ζωή. Ο χειρισμός των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων μπορεί να επιτευχθεί με μονοκύτταρους οργανισμούς, πολυκύτταρα είδη και φυτά. Οι μοριακές μελέτες βιοτεχνολογίας έχουν αντίκτυπο στην υγεία, εκτός από τη γεωργία, τη μεταποίηση και το περιβάλλον. Μελετώντας βιολογικές διεργασίες, είναι δυνατό να δημιουργηθούν φάρμακα για μυριάδες ασθένειες, να ανιχνευθούν παθογόνα στα τρόφιμα και να γίνουν καλλιέργειες ανθεκτικές στις ασθένειες για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης για τους γεωργούς.
Ένας πλήρης χάρτης του ανθρώπινου γονιδιώματος έχει βελτιώσει τη μοριακή βιοτεχνολογία, καθώς η γνώση των ρόλων κάθε γονιδίου σε ασθένειες και λειτουργίες του σώματος έχει βοηθήσει στη δημιουργία πιο αποτελεσματικών φαρμάκων και εμβολίων. Με αυτές τις πληροφορίες αναπτύχθηκαν αντισώματα για ασθένειες, χρησιμοποιώντας εργαστηριακή έρευνα και προόδους στη βιολογία. Στη μοριακή φυτική βιοτεχνολογία, είναι επίσης δυνατή η αλλαγή της γενετικής των φυτών, έτσι ώστε οι καλλιέργειες να μπορούν να αντιστέκονται σε ασθένειες ή ουσίες όπως τα ζιζανιοκτόνα. Τα γεωργικά περιουσιακά στοιχεία όπως τα ζώα μπορούν επίσης να ωφεληθούν, καθώς η γενετική μηχανική μπορεί να οδηγήσει σε πιο επιθυμητά χαρακτηριστικά για τα ζώα που πωλούνται στην αγορά.
Στον τομέα της μοριακής βιοτεχνολογίας, οι μονοκύτταροι μικροοργανισμοί μπορεί τελικά να τροποποιηθούν για να δημιουργήσουν συγκεκριμένα ένζυμα, χημικές ουσίες, ακόμη και αντιβιοτικά για χρήση στην ιατρική. Εκτός από το μελλοντικό δυνητικό παρελθόν του 2011, η βιοτεχνολογία σε μοριακό επίπεδο είναι χρήσιμη για τη διενέργεια διαγνώσεων στην ιατρική. Οι γιατροί μπορούν να αναλύσουν δείγματα αίματος για λεπτές ενδείξεις ασθενειών, λοιμώξεων και καρδιαγγειακών παθήσεων ανιχνεύοντας μικρούς όγκους μορίων. Τα βιοχημικά μπορούν επίσης να τροποποιηθούν για χρήση σε εμπορικές εφαρμογές, έτσι ώστε οι βιοφωταύγιες ενώσεις να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ετικετών ή την ανάπτυξη εξοπλισμού προσαρμοσμένου για την ανάλυση εργαστηριακών δειγμάτων.
Η θαλάσσια μοριακή βιοτεχνολογία είναι ένα άλλο σημαντικό μέρος του πεδίου, επειδή τόσοι πολλοί χρήσιμοι μικροοργανισμοί βρίσκονται σε ωκεανούς, λίμνες και ποτάμια. Οι ωκεανοί είναι το επίκεντρο των οργανισμών για τη μελέτη, την απόκτηση πληροφοριών σχετικά με τη γενετική και ενδεχομένως την εύρεση νέων φαρμάκων. Όπως πολλές πτυχές της μοριακής βιοτεχνολογίας, η θαλάσσια επιστήμη συνεχίζει να ερευνάται. Οι πολλοί τομείς του πεδίου είναι ανοιχτοί για σπουδές σε πολλά ιδρύματα τριτοβάθμιας εκπαίδευσης στις Ηνωμένες Πολιτείες, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που ειδικεύονται στη θαλάσσια επιστήμη. Η έρευνα ξεκινά ακόμη και σε επίπεδο φοιτητών, επομένως οι εξελίξεις στη βιοτεχνολογία είναι ωφέλιμες τόσο για την επιστήμη όσο και για την αγορά εργασίας σε αυτόν τον αναπτυσσόμενο τομέα της οικονομίας.