Le macchine molecolari, dette anche nanomacchine per le loro dimensioni nanometriche, sono sistemi costituiti da un numero discreto di componenti molecolari capaci di compiere movimenti meccanici sotto l'azione di stimoli esterni.
Per le macchine molecolari, come per quelle del mondo macroscopico, possono essere individuate alcuni importanti caratteristiche:

1. il tipo di energia usato per fare lavorare la macchina;
2. il tipo di movimento effettuato;
3. il modo con cui i movimenti possono essere controllati;
4. i segnali che evidenziano i movimenti stessi;
5. la necessità di operare in maniera ciclica e ripetitiva;
6. il tempo impiegato per completare un ciclo;
7. la funzione che può derivare dai movimenti compiuti.

Nelle macchine a livello molecolare i movimenti meccanici implicano spostamenti di elettroni e nuclei e ciò può essere ottenuto solo se almeno uno dei componenti molecolari della macchina è coinvolto in una reazione chimica. Occorre quindi fornire, sotto una qualche forma, l'energia necessaria (punto 1) per far avvenire la reazione chimica alla base del movimento meccanico, che (punto 2) può essere di vario tipo (ad esempio, rotatorio o lineare), ed il cui controllo (punto 3) può essere effettuato con reazioni chimiche antagoniste. I segnali in grado di evidenziare il funzionamento della macchina (punto 4) provengono da cambiamenti di proprietà del sistema (ad esempio, variazioni di colore) che si verificano durante i movimenti, i quali, per permettere alla macchina di lavorare in modo ciclico (punto 5), devono coinvolgere reazioni reversibili. La scala dei tempi in cui si completa un ciclo (punto 6) può andare dai picosecondi (10^-12 s) alle ore, a seconda della natura chimica del sistema e, infine, le funzioni ottenibili dal lavoro della macchina (punto 7) possono essere le più varie.