Les molécules organiques sont composées principalement de carbone et d'hydrogène et souvent d'oxygène et d'azote. Ces éléments sont connectés par des liaisons essentiellement simples et parfois doubles. Leur représentation tient compte de la règle de l'octet ou du duet pour les atomes H, C, O, N qui sont respectivement mono, tétra, di et trivalents. Les différentes façons de représenter ces molécules incluent les formules brutes, développées, semi-développées et topologiques.
La formule brute indique la composition atomique sans détails structuraux, utile notamment pour le calcul des masses molaires. La formule développée montre tous les atomes et leurs liaisons sur un même plan tandis que la formule semi-développée simplifie les liaisons hydrogène. La formule topologique, plus abstraite, utilise des lignes brisées pour les liaisons sans afficher systématiquement les atomes de carbone et d'hydrogène.
Les isomères sont des molécules partageant la même formule brute mais se différenciant par la structure. On distingue l'isomérie de chaîne, de position et de fonction. Les méthodes de modélisation 3D, comme les modèles éclatés ou compacts, facilitent la visualisation des molécules dans l'espace, fournissant des informations complémentaires sur les directions des liaisons ou les encombrements atomiques.
La nomenclature chimique, basée sur celle des alcanes linéaires, permet de nommer systématiquement les composés organiques. Pour les alcanes ramifiés, il s'agit d'identifier la chaîne la plus longue et de nommer les radicaux alkyles présents. Les alcools, acides carboxyliques, aldéhydes et cétones sont nommés d'après la chaîne incluant le carbone fonctionnel avec des suffixes spécifiques comme -ol, -oïque, -al, et -one.