Molécula diatômica é uma molécula formada por dois átomos, que podem ser iguais (do mesmo elemento) ou diferentes. Exemplo: o gás oxigênio (O₂) é uma molécula diatômica formada por dois átomos de oxigênio. Já o monóxido de carbono (CO) é outra molécula diatômica, mas formada por átomos diferentes — um de carbono e um de oxigênio.