Geometri molekul adalah istilah yang menggambarkan bentuk tiga dimensi dari sebuah molekul, mengingat jumlah pasangan elektron bebas dan atom terikat yang mengelilingi atom pusat. Setiap pasangan elektron bebas — pasangan elektron tidak terikat — digunakan ketika menentukan geometri pasangan elektron dan harus dipertimbangkan dalam bentuk molekul karena aksi tolaknya pada pasangan elektron terikat. Tolakan antar elektron inilah yang mempengaruhi sudut antara atom yang terikat dan pasangan elektron bebas yang mengelilingi atom pusat. Sudut-sudut ini, daripada jumlah atom yang terikat pada atom pusat, menentukan geometri molekul dari molekul yang terikat secara kovalen. Bagan yang membandingkan geometri pasangan elektron dan geometri molekul biasanya digunakan untuk menunjukkan efek pasangan elektron bebas pada bentuk molekul, karena molekul tanpa pasangan elektron memiliki geometri molekul dan pasangan elektron yang sama.
Sebuah teori sederhana tentang bagaimana elektron berperilaku digunakan ketika memprediksi bentuk molekul. Teori Repulsi Pasangan Elektron Kulit Valensi (VSEPR) menyatakan bahwa pasangan elektron valensi terikat dan elektron bebas akan memposisikan diri sejauh mungkin satu sama lain. Dengan menggunakan teori ini, bentuk geometris senyawa molekul sederhana dapat ditentukan secara akurat. Metode lain, seperti kristalografi sinar-x, diperlukan ketika menggambarkan bentuk molekul organik kompleks termasuk materi genetik dan protein.
Molekul paling sederhana memiliki satu atom pusat dengan dua atom tambahan yang terikat padanya. Menurut teori VSEPR, dua atom yang terikat akan memposisikan diri sejauh mungkin satu sama lain, menghasilkan bentuk molekul linier. Sudut antara ikatan adalah 180 derajat. Molekul yang terikat secara kovalen dengan tiga atom yang mengelilingi atom pusat dan tidak ada pasangan elektron bebas memiliki bentuk trigonal planar. Molekul ini memiliki sudut 120 derajat antara tiga atom yang terikat dan terletak datar pada satu bidang.
Untuk menempatkan setiap atom terikat sejauh mungkin, sebuah molekul dengan empat atom mengelilingi atom pusat dan tidak ada pasangan mandiri memiliki bentuk tetrahedral. Setiap sudut ikatan adalah 109.5 derajat, membentuk tetrahedron dengan atom pusat di bagian dalam. Dengan cara yang sama, dengan setiap atom tambahan terikat pada atom pusat, bentuknya berubah ketika atom-atom yang terikat saling menjauh. Dengan adanya pasangan elektron bebas, geometri molekul atom berubah, karena pasangan elektron bebas juga memberikan gaya tolak-menolak. Molekul dengan tiga atom dan satu pasangan elektron bebas yang mengelilingi atom pusat akan berbentuk piramida trigonal, dengan atom pusat berada di puncak piramida dan ketiga atom yang terikat didorong oleh pasangan elektron bebas ke posisi di bawah atom pusat.