分子轨道理论（英语：Molecular orbital theory），简称MO理论，是处理双原子分子及多原子分子结构的一种有效的近似方法，是化学键理论的重要内容。它与价键理论不同，后者着重于用原子轨道的重组杂化成键来理解化学，而前者则注重于分子轨道的了解，即认为分子中的电子围绕整个分子运动。计算化学中常以原子轨道线性组合近似来计算分子轨道波函数：式中的cij系数可由将等式代入薛定谔方程以及应用变分原理求得。简单地讲，该方法意即，分子轨道由原子轨道组合而成。原子轨道波函数各乘以某一系数相加或相减，得到分子轨道波函数。组合时原子轨道对分子轨道的贡献体现在系数上，组合前后轨道总数不变利用分子轨道理论与价键理论通常只是从一个问题的两个方面去看问题，常常会得到相同的结论。只是有时分子轨道理论的思想与计算过于复杂，在研究简单问题时，价键理论反而更显得简单明了。或者说，价键理论对于分子定态的性质（键长，键角等）的解释和分子轨道理论相近，而分子轨道理论在研究和电子激发相关的性质时（分子颜色，光电子能谱等）更为有效分子轨道理论认为，分子轨道由原子轨道线性组合得到，分布在整个分子之中。分子轨道仅仅是一个薛定谔轨道，包含数个（通常只有两个）原子核。由此可衍生出成键、反键和非键轨道的概念：分子轨道法的基本要点，即LCAO-MO法的基本原则包括：除了遵照LCAO-MO的三条基本规则外，电子填充规则也适用于分子轨道理论：构筑原理、泡利不相容原理以及洪德规则。键级被定义为分子中成键电子总数减去反键电子总数再除以2得到的纯数，是分子稳定性的量度。键级大于零是分子存在的前提。各种分子轨道具有不同的对称性，可依此将其分为σ、π与δ三种类型。