人类对分子结构的认知是循序渐进的，“如何发现”这个说法不好答。而且推动分子结构认知发展的其实主要是是物理实验水平的进步，这是道物理史的题目。下面的分期名字是偶乱取的。
瞎猜时期：炼金术士把硫和汞想象成两条相互咬合的大蛇（python），以此解释两者的亲和性，从中慢慢产生了原始的“当量”和“亲和力”的概念。当然，除了硫和汞还有很多其他例子，放不了图可惜了。
硬凑时期：1780s，拉瓦锡提出物质由元素和化合物的说法，化学理论大洗牌，新说法新发现新理论层出不穷，在气体理论、当量理论和定比定律的基础上，1800s，道尔顿提出现代原子论和原子量的概念，后来阿伏伽德罗提出“分子”的概念。
但因为原子如何形成“复杂原子组合”即阿伏伽德罗的“分子”，其中又很多争论，因为同性相斥，道尔顿对使原子组合的“亲和力”“电力”没有更好的解释。“分子说”倒是在有机化学家李比希和康尼查罗等人的优化和实验证明下在50多年后最终被认可。之后各种化合物的分子量被测的越来越精确，分子结构进入硬凑时期。