Cząsteczka dwuatomowa to stabilna grupa dwóch atomów połączonych wiązaniami chemicznymi. Cząsteczki dwuatomowe, które składają się z tego samego elementu, nazywane są elementami dwuatomowymi. Istnieje pięć dwuatomowych elementów, które istnieją jako gazy w standardowej temperaturze i ciśnieniu: wodór, azot, tlen, fluor i chlor.
Dodatkowo, w podwyższonych temperaturach, brom i jod występują również jako pierwiastki dwuatomowe. Astat, najcięższy z halogenu, teoretycznie tworzy cząsteczkę dwuatomową, ale nie zostało to potwierdzone.
Związki dwuatomowe to cząsteczki o dwóch atomach z różnymi pierwiastkami. Niektóre przykłady obejmują tlenek węgla, tlenek azotu, tlenek krzemu i chlorowodór. Dwuatomowe cząsteczki są najobficiej stosowanym typem związków we wszechświecie.
