分子遺傳學是在分子水平上研究生物遺傳和變異機制的遺傳學分支學科。經典遺傳學的研究課題主要是基因在親代和子代之間的傳遞問題；分子遺傳學則主要研究基因的本質、基因的功能以及基因的變化等問題。分子遺傳學的早期研究都用微生物為材料，它的形成和發展與微生物遺傳學和生物化學有密切關係。
用遺傳學方法可以得到一系列使某一種生命活動不能完成的突變型，例如不能合成某一種氨基酸的突變型、不能進行DNA複製的突變型、不能進行細胞分裂的突變型、不能完成某些發育過程的突變型、不能表現某種趨化行為的突變型等。不過許多這類突變型常是致死的，所以各種條件致死突變型，特別是溫度敏感突變型常是分子遺傳學研究的重要材料。
在得到一系列突變型以後，就可以對它們進行遺傳學分析，瞭解這些突變型代表幾個基因，各個基因在染色體上的位置，這就需要應用互補測驗，包括基因精細結構分析等手段。
抽提、分離、純化和測定等都是分子遺傳學中的常用方法。在對生物大分子和細胞的超微結構的研究中還經常應用電子顯微鏡技術。對於分子遺傳學研究特別有用的技術是順序分析、分子雜交和重組DNA技術。
核酸和蛋白質是具有特異性結構的
生物大分子，它們的生物學活性決定於它們的結構單元的排列順序，因此常需要瞭解它們的這些順序。如果沒有這些順序分析，則基因DNA和它所編碼的蛋白質的線性對應關係便無從確證；沒有核酸的順序分析，則插入順序或轉座子兩端的反向重複序列的結構和意義便無從認識，重疊基因也難以發現。
分子遺傳學是從微生物遺傳學發展起來的。雖然分子遺傳學研究已逐漸轉向真核生物方面，但是以原核生物為材料的分子遺傳學研究還占很大的比重。此外，由於微生物便於培養，所以在分子遺傳學和重組DNA技術中，微生物遺傳學的研究仍將佔有重要的位置。
分子遺傳學方法還可以用來研究蛋白質的結構和功能。例如可以篩選得到一
系列使某一蛋白質失去某一活性的突變型。應用基因精細結構分析可以測定這些突變位點在基因中的位置；另外通過順序分析可以測定各個突變型中氨基酸的替代，從而判斷蛋白質的哪一部分和特定的功能有關，以及什麼氨基酸的替代影響這一功能等等。
生物進化的研究過去著眼於形態方面的演化，以後又逐漸注意到代謝功能方面的演變。自從分子遺傳學發展以來又注意到DNA的演變、蛋白質的演變、遺傳
密碼的演變以及遺傳機構包括核糖體和tRNA等的演變。通過這些方面的研究，對於生物進化過程將會有更加本質性的瞭解。
分子遺傳學也已經滲入到以個體為對象的生理學研究領域中去，特別是對免疫機制和激素的作用機制的研究。隨著克隆選擇學說的提出，目前已經確認動物體的每一個產生抗體的細胞只能產生一種或者少數幾種抗體，而且已經證明這些細胞具有不同的基因型。這些基因型的鑒定和來源的探討，以及免疫反應過程中特定克隆的選擇和擴增機制等既是免疫遺傳學也是分子遺傳學研究的課題。
將雌性激素注射雄雞，可以促使雄
雞的肝臟細胞合成卵黃蛋白。這一事實說明雄雞和雌雞一樣，在肝臟細胞中具有卵黃蛋白的結構基因，激素的作用只在於激活這些結構基因。
激素作用機制的研究也屬於分子遺傳學範疇，屬於基因調控的研究。個體發生過程中一般並沒有基因型的變化，所以發生問題主要是基因調控問題，也屬於分子遺傳學研究範疇。
分子遺傳學研究的方法，特別是重組DNA技術已經成為許多遺傳學分支學科的重要研究方法。分子遺傳學也已經滲入到許多生物學分支學科中，以分子遺傳學為基礎的遺傳工程則正在發展成為一個新興的工業生產領域。
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