Двухатомные молекулы (CH, CH+, CN) в межзвёздной среде были найдены оптическими методами в конце 30-х годов XX века по линиям поглощения в спектрах звёзд. Долгое время возможность существования в межзвёздной среде молекул с числом атомов более двух считалась маловероятной. Первая многоатомная молекула, молекула аммиака (NH3), в межзвёздной среде была открыта группой Ч. Таунса в 1968 году. Первая органическая молекула, формальдегид (H2CO), была обнаружена в 1969 году. Подавляющее большинство молекул в межзвёздной среде было открыто методами радиоастрономии (вращательная и вращательно-колебательная спектроскопия). В настоящее время надёжно отождествлено около 100 видов межзвёздных молекул с учётом молекул различного изотопного состава, в том числе большое количество органических молекул, содержащих до 70 атомов. В настоящее время наиболее тяжёлой многоатомной молекулой является обнаруженная в межзвёздной среде в 2010 году молекула фуллерена, состоящая из 70 атомов.
Особенностью молекулярного состава наиболее плотных молекулярных облаков является преобладание в них органических соединений. Обнаружены представители нескольких классов органических соединений — альдегидов, спиртов, простых и сложных эфиров, карбоновых кислот, амидов кислот. Неожиданным было обнаружение в межзвёздной среде относительно сложных многоатомных молекул. Многие из этих соединений (HCN, CH2NH, CH3NH2 и др.) известны как активный исходный материал для образования важнейших предбиологических молекул — аминокислот и азотистых оснований. Это является важным аргументом в пользу универсальности путей химической эволюции во Вселенной.