化学家和物理学家对生物大分子组成和结构，特别是对核酸构象和蛋白质构象的研究，奠定了分子生物学的物质基础；而遗传学家和生物化学家对生物大分子功能和作用机制的研究，确立了以中心法则为核心的遗传信息传递理论。分子生物学的诞生是多学科研究相互融合的结果。
核酸的分子生物学研究核酸的结构和功能，其研究内容包括核酸和基因组的结构，基因的鉴定，遗传信息的复制、转录和翻译，基因表达的调控，基因改造及基因工程相关技术的发展和应用等。中心法则是核酸分子生物学理论体系的核心。基因组学的建立和发展使核酸的分子生物学成为生命科学的领头学科。
蛋白质的分子生物学研究执行各种生命活动的主要大分子——蛋白质的结构和功能。核酸的功能往往要通过蛋白质的作用来实现。因此，两类大分子的代谢与生命活动密切相关。人类研究蛋白质的历史比研究核酸的历史长，但是与核酸分子生物学相比，蛋白质分子生物学的发展较慢，因为蛋白质的研究难度更大。蛋白质组学的建立将从根本上推动蛋白质分子生物学的发展。
信号转导的分子生物学研究细胞之间信号传递、细胞内部信号转导的分子基础。细胞的增殖、分化及其他活动均依赖各种环境信号。这些信号直接或间接刺激细胞，使其作出反应，表现为一系列生物化学变化，例如蛋白质构象的改变、蛋白质相互作用的改变等，以适应环境。信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机制，阐明各种信号转导分子及信号通路的效应和调节方式，认识由众多信号通路形成的信号网络。信号转导的研究在理论和技术方面与核酸的分子生物学、蛋白质的分子生物学联系密切，是分子生物学目前发展最快的领域之一。
