El hidrógeno molecular, H₂, es la molécula interestelar más abundante seguida del monóxido de carbono, CO. La detección y estudio de H₂ ha sido uno de los más importantes logros de la astronomía ultravioleta, el hidrógeno molecular tiene una intensa banda de absorción en 105nm (1050 Å ), que fue observada por primera vez con globos en 1970 y observaciones más extensas fueron hechas por el satélite Copernicus. Estas observaciones demostraron que una fracción importante del hidrógeno interestelar es molecular y esta cantidad aumenta mucho en las nubes densas. En nubes interestelares, con extinción visual mayor que 1 magnitud, casi todo el hidrógeno es molecular.

El hidrógeno molecular se forma en la superficie de los granos de polvo. El polvo es necesario para proteger a las moléculas de la radiación ultravioleta estelar, que de otra forma serían destruidas. El hidrógeno molecular se encuentra donde el polvo es abundante.

La radio espectroscopia ha proporcionado un gran avance en el estudio de las moléculas interestelares. La primera radio-línea molecular, el radical OH, fue descubierta en 1963, posteriormente se han descubierto muchas otras y en 1993 de 80 moléculas detectadas la más pesada tiene 13 átomos y es la molécula HC₁₁N.

La radiación de las moléculas diatómicas (constituida por dos átomos, H₂, CO, OH) puede corresponder a tres clases de transiciones: transiciones electrónicas, como las de los átomos y su longitud de onda se sitúa en el ultravioleta o visible; transiciones vibracionales, sus energías corresponden al infrarrojo y transiciones rotacionales que son las más importantes en el dominio radio. Las moléculas en el estado fundamental no rotan, su momento angular es cero, pero cuando se excitan por colisión con otras moléculas empiezan a rotar y emiten en radio.

La molécula más abundante H₂ no puede observarse en radio ondas porque no tiene líneas espectrales adecuadas. Las siguientes moléculas más abundantes son CO, el radical OH y el amoniaco NH₃, aunque sus abundancias son sólo una pequeña fracción de la del hidrógeno, sin embargo, la masa de las nubes interestelares es tan grande que el número de moléculas es considerable.

La mayoría de las moléculas han sido detectadas en nubes moleculares densas que están conectadas con regiones H II.Sin embargo dentro de éstas no hay moléculas ya que serían rápidamente disociadas por la alta temperatura y la intensa radiación ultravioleta. También están asociadas a grandes envolturas de polvo. Pr tanto las nubes moleculares no existen como objetos distintos y separados en el espacio interestelar, sino que constituyen grandes complejos de nubes moleculares, que pueden alcanzar hasta 50 parsec de tamaño, y contienen gas suficiente para crear millones de estrellas como el Sol (Figura 8.1)