Isomeerit ovat kemiallisia yhdisteitä, joilla on samat molekyylikaavat – eli ne koostuvat samasta määrästä samantyyppisiä atomeja – mutta joilla on erilaiset rakenteet tai järjestelyt avaruudessa. Esimerkiksi pentaani on orgaaninen yhdiste, joka koostuu viidestä hiiliatomista ja 12 vetyatomista. Kaksi pentaanin isomeeriä ovat haarautumaton pentaani, jossa hiili on järjestetty lineaariseen ketjuun, ja isopentaani tai metyylibutaani, jossa neljä hiiltä on järjestetty lineaariseen ketjuun, kun taas viides haarautuu yhdestä sisäisestä hiiliatomista. Molemmilla on samat molekyylikaavat, mutta niiden atomien todelliset järjestelyt ovat erilaisia. Isomeerit ovat tärkeitä, koska yhdisteillä, joilla on erilaiset rakenteet, vaikka ne sisältävät samoja atomeja, voi olla rajusti erilaisia kemiallisia ominaisuuksia.
Yhdisteet, joilla on samat molekyylikaavat, voivat poiketa rakenteellisesti kahdella tavalla. Ensinnäkin rakenteelliset isomeerit eroavat atomien todellisista rakennejärjestelyistä. Yhdisteet muodostavat funktionaaliset ryhmät on yhdistetty toisiinsa eri tavoilla ja eri järjestelyillä. Stereoisomeerit puolestaan on järjestetty samalla tavalla funktionaalisten ryhmien sijainnin suhteen, mutta eroavat toisistaan suhteellisissa asemissaan avaruudessa. Kahdella molekyylillä voi esimerkiksi olla samat atomit ja sama rakenne, mutta ne voivat myös olla peittämättömiä peilikuvia toisistaan ja siten olla isomeerejä.
Isomeerit ovat erittäin tärkeitä, koska eri yhdisteillä, vaikka niillä olisi samat molekyylikaavat, voi olla erilaisia kemiallisia ominaisuuksia. Tämä pätee jopa stereoisomeereihin, jotka pinnallisesti ovat lähes identtisiä. Yksi yhdiste voi olla esimerkiksi tärkeä lääkeaineen vaikuttava aine, kun taas sen peilikuva-isomeeri, joka ei ole päällekkäin, voi olla täysin tehoton tai jopa haitallinen. Yhdisteet, joilla on erilainen järjestely, reagoivat usein jyrkästi eri tavoin muiden atomien ja yhdisteiden kanssa. Ne voivat poiketa siitä, millä kemikaaleilla ne reagoivat tai kuinka nopeasti ne reagoivat eri kemikaalien kanssa.
Monet kemialliset reaktiot tuottavat eri isomeerien seoksen – tämä pätee erityisesti stereoisomeereihin – joten kemistien on usein käytettävä erilaisia menetelmiä eristämään tietty isomeeri, josta he ovat kiinnostuneita. Isomeerien erottamiseen voidaan käyttää monia erilaisia menetelmiä, jotka perustuvat erilaisiin kemiallisiin ominaisuuksiin. Jotkut yhdisteet, joilla on identtiset molekyylikaavat, voivat esimerkiksi kiehua eri lämpötiloissa, joten niiden erottamiseksi voidaan käyttää tislausta. Toiset reagoivat eri yhdisteiden kanssa, joten kemiallisia reaktioita voidaan käyttää yhden isomeerin poistamiseen jättäen kiinnostava yhdiste muuttumattomana.