Molekulaarinen bioteknologia on kyky muuttaa geneettisiä materiaaleja ja siirtää niitä orgaanisten solujen välillä, tutkijat laboratoriossa. Se sisältää rekombinanttiproteiinien käytön esimerkiksi geenitekniikkaan ja sellaisten tuotteiden luomiseen, joilla on syvällinen vaikutus jokapäiväiseen elämään. Proteiinien ja nukleiinihappojen käsittely voidaan suorittaa yksisoluisilla organismeilla, monisoluisilla lajeilla ja kasveilla. Biotekniikan molekyylitutkimukset vaikuttavat terveyteen maatalouden, valmistuksen ja ympäristön lisäksi. Tutkimalla biologisia prosesseja on mahdollista luoda lääkkeitä lukemattomille sairauksille, havaita taudinaiheuttajia elintarvikkeissa ja tehdä taudille vastustuskykyisiä kasveja maksimoidakseen viljelijöiden tuoton.
Täydellinen kartta ihmisen genomista on parantanut molekyylibioteknologiaa, sillä jokaisen geenin roolien tunteminen sairauksissa ja kehon toiminnoissa on auttanut luomaan tehokkaampia lääkkeitä ja rokotteita. Näiden tietojen perusteella on kehitetty vasta -aineita sairauksille käyttäen laboratoriotutkimusta ja biologian kehitystä. Molekyylibiologisessa biotekniikassa on myös mahdollista muuttaa kasvien genetiikkaa niin, että viljelykasveja voidaan saada vastustamaan sairauksia tai aineita, kuten rikkakasvien torjunta -aineita. Myös maataloustuotanto, kuten karja, voi hyötyä, koska geenitekniikka voi johtaa haluttuihin ominaisuuksiin markkinoilla myytäville eläimille.
Molekulaarisen biotekniikan alalla yksisoluisia mikro-organismeja voidaan lopulta muuttaa, jotta voidaan luoda erityisiä entsyymejä, kemikaaleja ja jopa antibiootteja käytettäväksi ihmislääketieteessä. Lukuun ottamatta tulevaa potentiaalia viime vuoden 2011 aikana, molekyylitason biotekniikka on hyödyllistä diagnosoitaessa lääketiedettä. Lääkärit voivat analysoida verinäytteitä saadakseen pieniä vihjeitä sairauksista, infektioista ja sydän- ja verisuonitaudeista havaitsemalla pieniä määriä molekyylejä. Biokemikaaleja voidaan myös muokata käytettäväksi kaupallisissa sovelluksissa, joten bioluminoivia yhdisteitä voidaan käyttää etikettien luomiseen tai laboratorionäytteiden analysointiin räätälöityjen laitteiden kehittämiseen.
Meren molekyylibioteknologia on toinen merkittävä osa alaa, koska valtavasti valtameristä, järvistä ja joista löytyy niin paljon hyödyllisiä mikro -organismeja. Valtameret ovat eliöiden keskittymä tutkimaan, hankkimaan tietoa genetiikasta ja mahdollisesti löytämään uusia lääkkeitä. Kuten monia molekyylibiologian osa -alueita, myös meritiedettä tutkitaan edelleen. Alan monet alueet ovat avoimia opiskeluun monissa Yhdysvaltain korkeakouluissa, myös meritieteeseen erikoistuneissa. Tutkimus alkaa jopa opiskelijatasolla, joten biotekniikan kehitys on hyödyllistä sekä tieteelle että työmarkkinoille tällä kasvavalla talouden alalla.