分子机器（molecular machine）也称为纳米机器（nanomachine）是由少量的分子所组成，可以对特定的刺激（输入）产生准机械运动（输出）的物体。分子机器一词也常用来表示模仿巨观世界机器功能的分子。在纳米科技中常提到分子机器，曾提出许多有复杂结构的分子机器，目标是要建构分子组装机（英语：molecular assembler）。分子机器可以分为合成的及天然的两种。

有些分子系统可以使化学或是力学过程偏离其平衡点，是在化学及纳米科技中的重要分支。只要这类的系统可以产生有用的功，依分子机器的定义来看，这也算是分子机器。

2016年诺贝尔化学奖颁给让-皮埃尔·索瓦日、弗雷泽·斯托达特及伯纳德·费林加，原因就是因为他们在分子机器上的设计及合成。