分子生物學是由生物化學、生物物理學、遺傳學、微生物學、細胞學、以纛信息科學等多學科相互滲透、綜合融會而產生並發展起來的，凝聚了不同專長的科學家的共同努力。它雖產生於上述各個學科，但已形成它獨特的理論體系和研究手段，成為一個獨立的學科。
生物化學與分子生物學關係最為密切。兩者同在我國教委和科委頒布的一個二級學科中，稱為「生物化學與分子生物學」，但兩者還是區別的。生物化學是從化學角度研究生命現象的科學，它著重研究生物體內各種生物分子的結構、轉變與新陳代謝。傳統生物化學的中心內容是代謝，包括糖、脂類、胺基酸、核苷酸、以及能量代謝等與生理功能的聯繫。分子生物學則著重闡明生命的本質——主要研究生物大分子核酸與蛋白質的結構與功能、生命信息的傳遞和調控。《國際生物化學學會》和《中國生物化學學會》現昀已改名為《國際生物化學與分子生物學學會》和《中國生物化學與分子生物學學會》。
細胞生物學與分子生物學關係也十分密切。傳統的細胞生物學主要研究細胞和亞細胞器的形態、結構與功能。細胞作為生物體基本的構成單位是由許多分子組成的複雜體系，光學顯微鏡和電子顯微鏡下所見到的規則結構是各種分子有序結合而形成的。探討組成細胞的分子結構比單純觀察大體結構能更加深入認識細胞的結構與功能，因此現代細胞生物學的發展越來越多地應用分子生物學的理論和方法。
分子生物學則是從研究各個生物大分子的結構入手，但各個分子不能孤立發揮作用，生命絕非組成萬分的隨意加和或混合，分子生物學還需要進一步研究各生物分子間的高層次組織和相互作用，尤其是細胞整體反應的分子機理。這在某種程度上是向細胞生物學的靠攏。分子細胞學或細胞分子生物學就因此而產生，成為人們認識生命的基礎。
由於分子生物學涉及認識生命的本質，它也就自然廣泛的滲透到醫學各學科領域中，成為現代醫學重要的基礎。在醫學各個學科中，包括生理學、微生理學、免疫學、病理學、藥理學以及臨床各學科分子生物學都正在廣泛地形成交叉與滲透，形成了一些交叉學科，如分子免疫學、分子病毒學、分子病理學和分子藥理學等，大大促進了醫學的發展。