化合物的原子结合在一起到底是长什么样子对于具有复杂三维结构的分子，特别是涉及四键原子（如碳原子）的情况，简单的分子式或甚至半结构化学式可能不足以完全确定分子的形态。在这种情况下，可能需要称为结构式的图形来描述。
上图：萜类化合物阿替烷的3D（左和中）和2D（右）结构展现。
原子力显微镜（AFM）或扫描力显微镜（SFM）是一种扫描探针显微镜（SPM），其分辨率约为纳米级，比光学衍射极限高出1000倍以上。通过用机械探针“感觉”或“触摸”表面来收集信息。
扫描隧道显微镜（STM）是用于在原子水平上进行表面成像的仪器。STM基于量子隧穿的效应。当导电尖端非常靠近待检查的表面时，在两者之间施加的偏压（电压差）可以允许电子穿过它们之间的真空。导电尖端位置产生的隧道电流是施加的电压和样品的局部态密度（LDOS）的函数。通过导电尖端在物质表面扫描时监视电流变化即可获取信息，并且通常以图像形式展示。STM可能是一项具有挑战性的技术，因为它需要非常干净和稳定的表面，锋利的尖端，出色的振动控制和大量精密的辅助电子设备，但已经有许多业余爱好者自己搞出来。
大家来看一些分子的照片：
上图：3,4,9,10-苝四甲酸二酐（一种有机染料）分子的原子力显微镜（AFM）图像，其中可见五个六碳环。
上图：并五苯分子的扫描隧道显微镜图像，由五个碳环的线性链组成。
上图：1,5,9-三氧-13-氮杂三烯的原子力显微镜图像及其化学结构。
上图：“靛星”树枝状聚合物分子的结构和STM图像。靛星是在食品实验室里开发的大型星状分子，此分子能够抓住大型带负电的离子。
上图：多个分子之间的化学键。使用非接触原子力显微镜（NC-AFM）对铜基板上的8-羟基喹啉（8-hq）分子中氢键形成的真实空间可视化。
上图：化学反应前后的分子形态变化。搁置在平坦的银表面上的原始反应物分子在反应之前和之后成像，这在温度超过90摄氏度时发生。显示了反应的两种最常见的最终产物。三埃的标尺（一埃是十亿分之一米）表明，反应物和产物的尺度都在十亿分之一米左右。
上图：各种采用CO介导的非接触原子力显微镜（NC-AFM）成像的内部键合结构。
（A）3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）的内部键结构;
（B）用NC-AFM解析的内部键结构。第一张图像是通过将单个CO分子吸收到尖端顶点上实现的（C）NC-AFM图像显示吸附在铜基板氯化钠（2ML）溶液中的头孢氨苄A的分子结构鉴定。红色和蓝色原子分别对应于氧和氮；
（D）NC-AFM显示采用“蝴蝶”状排列的二苯并[a，h]噻吩（DBTH）的双稳态构型。黄色原子对应硫；
（E）六苯并蔻烯中的Pauling键;
（F）非弹性隧道谱（IETS）成像显示CO封端的化学键;
（G）NC-AFM图像化学反应的不同步骤与分子下分辨率
（H）在77K的硅表面上的萘四羧酸二酰亚胺（NTCDI）的结构和吸附位点。STM（左）和NC-AFM（右）成像。