Molekyylidynamiikka on tutkimus siitä, miten atomit ja molekyylit liikkuvat. Näiden hiukkasten suora havaitseminen ei ole aina mahdollista, joten tutkijat tutkivat molekyylidynamiikkaa käyttämällä matemaattisia kaavoja. Nämä kaavat on ohjelmoitu tietokoneisiin, joiden avulla tutkijat voivat simuloida eri atomien ja molekyylien liikettä. Vaikka todellisia hiukkasia ei käytetä molekyylidynamiikan tutkimuksessa. Simulaatioiden tulosten katsotaan olevan kohtuullisen tarkkoja.
Molekyylidynamiikan tutkimus on eräänlainen virtuaalikokeilu. Tutkimalla virtuaalimolekyylien käyttäytymistä tiedemiehet voivat ennustaa todellisten molekyylien käyttäytymistä. Vaikka todellisia molekyylejä ei käytetä, näiden simuloitujen kokeiden tuloksia pidetään tarkkoina. Tiettyjen parametrien säätäminen yhtälöissä tekee kokeista tarkempia.
Molekyylidynamiikan simulaatioita käytetään virtuaalisten havaintojen tekemiseen hiukkasten liikkeestä. Laboratoriossa ei aina ole mahdollista tai käytännöllistä tehdä todellisia havaintoja molekyyliliikkeestä, joten sen sijaan käytetään matemaattista simulaatiota ja tietokonemallinnusta. Tämän tyyppisistä kokeista on hyötyä siinä, että liikettä voidaan havaita pitkään, sitä voidaan havaita läheltä ja että olosuhteet, kuten äärimmäiset paine- tai lämpötilaolosuhteet, jotka eivät ole käytännöllisiä laboratoriossa, voivat olla simuloitu.
Tietokoneet pystyvät esittämään visuaalisen esityksen atomien ja molekyylien liikkeestä ratkaisemalla matemaattisia yhtälöitä. Yhtälöt perustuvat Newtonin lakeihin ja voivat tarkasti ennustaa useimpien atomien ja molekyylien liikkeen. Simulointiohjelmat käyttävät yhtälöitä edustaakseen hiukkasiin vaikuttavia voimia ja atomien liikettä kolmiulotteisessa avaruudessa. On myös mahdollista seurata atomin tai molekyylin liikettä ajan mittaan käyttämällä näitä kaavoja.
Molekyylidynamiikkaa voidaan käyttää myös atomien ja molekyylien välisen suhteen havaitsemiseen. Simulaatio -ohjelmat seuraavat muodostuneita ja katkenneita molekyylisidoksia ja säätävät yhtälöitä sen mukaan. Vaikka käytetyt yhtälöt perustuvat Newtonin liikelait, useimmissa tapauksissa niitä voidaan soveltaa hyvin pienten hiukkasten liikkeeseen. Joskus kvanttihiukkasten liikettä sääteleviä lakeja on käytettävä molekyylidynamiikan yhtälöissä kuvaamaan oikein hiukkasten liikettä.