不稳定分子是指在通常条件下不稳定的分子。一般可用多种方法产生。在
化学反应过程中，它们常常是过渡性
中间产物。所以,研究它们,设法测知它们的存在，对于研究化学反应和设法改变化学反应过程有重要意义。
分子的稳定性是相对的。原子间由于电子态的原因在某种情况下产生相互吸引力；但原子核间、原子实间又有互相推斥的力。二者达到平衡时,其总位能最低,而形成键(见化学键)。键的稳定程度取决于平衡距离时的原子间的位能低于相距无穷远时位能的数值，用ΔE表示。ΔE的绝对值愈大,则键愈强,分子也愈稳定。ΔE的大小是相对于平均动能kT而言的,T是温度，k为玻耳兹曼常数。所以在低温时,原在室内温度下不稳定的分子也可变为稳定；而在高温时（例如在等离子体火焰中），则大多数分子失去稳定性而成为原子或原子离子。
另一使分子失去稳定性的因素，是与另一同类分子或异类分子相碰撞。有许多分子虽然从ΔE的角度说是稳定的,但碰撞后可能产生各种化学反应,例如分解、聚合（见聚合反应）、复分解等。自由基的不稳定即属于此类。所以通常在极低压力下，不稳定分子可以存在一定的时间，例如在星际空间、真空放电管内。另一方法是使它们通过喷嘴,以超音速速度迅速膨胀到真空内,也可保存。又如将不稳定分子与
惰性气体（如氩、氖）混合并迅速冷至10K以下，成为固体,此时不稳定分子被惰性气体原子隔离，无法进行碰撞而能保存较长时间。这些方法都可用来研究不稳定分子。