早期的分子论
两千多年以前，我国古代的学者提出了“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的论断。“棰”是一种策马鞭上的短木棍。意思是，一尺长的短木棍，每天分割一半，就是亿万年也分割不完。它朴素地说出了物质无限可分的思想。但是，对于木棍这样的具体物质进行机械分割，是不可能“万世不竭”的。
比如你“日取其半”地分割一尺长的木棍，分割到第29天，剩下的长度大约是五亿分之一尺，它还具有木头的性质。因为木头是由一种纤维素的单元构成的，这是一种很长的链，每个环节大约是五亿分之一尺，和第29天分割以后剩下的长度相当。但是经过第30天分割，剩下的长度只有十亿分之一尺，变成了比组成木头的纤维素单元更小的东西。在第30天以后，虽然物质还可以无止境地分下去，但是分出来的小粒子已经不再具有木头的性质了。可见，具体物质的分割是有限度的。
在物理学中，能够保留某种物质性质的最小粒子，叫做这种物质的分子。自然界里千姿百态的物质，都是由各种各样不同的分子组成的。
分子的尺寸和重量都小得惊人。一滴油滴到水面上，可以散成很大面积，油层可以薄到只有百万分之一厘米；延展性很好的金子，可以加工成厚度只有十万分之一厘米的金箔。但是这样薄的油层还有几十个油分子厚，这样薄的金箔竟有几百个金分子厚。
精确的实验告诉我们，一般物质分子的直径，大约只有亿分之几厘米。在物理学中，常把亿分之一厘米叫做1埃。像水分子的直径是亿分之四厘米，就是4埃。这是一个很小的数字，把2500万个水分子肩并肩地排列起来，总长度才是1厘米。蛋白质分子的直径也只有几十埃。
常见物质里含有的分子数目庞大无比。比如1厘米3的水里含有3.35×1024个水分子，把它们分给全世界所有的人，平均每人能够分到8×1012个。假想有一种极小的动物喝水，每1秒钟喝进100亿个水分子，喝完1厘米3的水至少要用10万年以上的时间！
分子的质量也极其微小，1厘米3水的质量是1克，含有的水分子是3.35×1024个，所以一个水分子的质量只有2.99×10-23克。分子里最轻的成员是氢分子，质量小到只有3.35×10-24克，拿一个氢分子质量和一个中等大小的苹果质量相比，大约相当于这个苹果质量和地球质量相比。
分子的热运动
组成气体的分子都十分好动。比如你种的茉莉花，一旦开了花，全家甚至邻居都可以闻到扑鼻香气；鱼、肉腐烂了，会弄得周围臭气熏天。组成液体的分子也很好动。你在一杯清水里滴入一滴墨水，墨水就会慢慢散开，和水完全混合。这表明一种液体的分子进入到另一种液体里去了。或者说液体分子在不停地运动。固体分子，也很不安分守己。比如把表面非常光滑洁净的铅板紧紧压在金板上面，几个月以后就可以发现，铅分子跑到了金板里，金分子也跑到了铅板里，有些地方甚至进入1毫米深处。如放5年，金和铅就会连在一起，它们的分子互相进入大约1厘米。又如长期存放煤的墙角和地面，有相当厚的一层都变成了黑色，就是煤分子进入墙壁的结果。
分子热运动证明液体、气体分子做杂乱无章运动的最著名的实验，是英国植物学家布朗发现的布朗运动。
1827年，布朗把藤黄粉放入水中，然后取出一滴这种悬浮液放在显微镜下观察，他奇怪地发现，藤黄的小颗粒在水中像着了魔似的不停运动，而且每个颗粒的运动方向和速度大小都改变得很快，好像在跳一种乱七八糟的舞蹈。就是把藤黄粉的悬浮液密闭起来，不管白天黑夜，夏天冬天，随时都可以看到布朗运动，无论观察多长时间，这种运动也不会停止。在空气中同样可以观察到布朗运动，悬浮在空气里的微粒（如尘埃），也在跳着一种杂乱无章的舞蹈。
发生布朗运动的原因是组成液体或者气体的分子本性好动。比如在常温常压下，空气分子的平均速度是500米/秒，在1秒钟里，每个分子要和其他分子相撞500亿次。好动又毫无规律的分子从四面八方撞击着悬浮的小颗粒，综合起来，有时这个方向大些，有时那个方向大些，结果小颗粒就被迫做起忽前忽后、时左时右的无规则运动来了。
倒一杯热水和一杯冷水，然后向每个杯里滴进一滴红墨水，热水杯里的红墨水要比冷水杯里的扩散得快些。这说明温度高，分子运动的速度大，并且随着物体温度的增高而增大，因此分子的运动也做热运动。
到19世纪，情况发生很大变化。大规模的机器生产使生产力的面貌发生革命性的变化，物理学的各个分支都以前所未有的速度发展起来，分子运动论在此期间也有了极大进展。1816年，英国的赫拉帕斯提出了自己的分子运动论理论，1846年，苏格兰的瓦特斯顿提出能量均分原理，德国的克里尼希对早期分子运动论进行了总结。从分子速度和统计分布角度看，克劳修斯、麦克斯韦和玻尔兹曼是分子运动论的真正奠基人。后来在吉布斯努力下，完成了热力学与分子运动论两个方面的理论综合。