Uma nuvem molecular é um tipo de nuvem interestelar cuja densidade e tamanho permitem a formação de moléculas, mais habitualmente hidrogênio molecular (H2). Isto entra em contraste com outras áreas do meio interestelar, que contêm predominantemente gás ionizado.
A molécula de Hidrogênio é de difícil detecção por observações no infravermelho e em frequências de rádio. Portanto, a molécula frequentemente utilizada para rastrear H2 é o monóxido de carbono (CO). Acredita-se que a razão entre a luminosidade de CO e a massa de H2 é constante, apesar de haver razões para duvidar desta afirmação devido a observações feitas em outras galáxias. Acredita-se que a nuvem molecular formou os planetas na órbita do Sol.
Dentro de nuvens moleculares existem regiões de maior densidade. Tais regiões são os precursores da formação estelar, contanto que a gravidade possa superar a alta densidade e forçar a poeira e o gás a colapsar.
As estrelas são, portanto, formadas a partir da condensação de nuvens moleculares. Uma vez formada uma estrutura central mais densa, esta atinge o equilíbrio hidrostático, enquanto as camadas mais externas continuam a cair. Parte da energia cinética deste gás é emitida na forma de radiação. Esta estrutura formada é uma protoestrela, visto que a temperatura em seu centro ainda não é alta o suficiente para a iniciar a fusão nuclear do Hidrogênio.