A molekulatömeget az anyag molekuláját alkotó atomok tömegének összegeként fejezzük ki. Általában a.u.m-ben (atomtömeg-egységekben) fejezik ki, néha d altonnak is nevezik, és D-vel jelölik. 1 a.m.u. ma egy szénatom C12 tömegének 1/12-e elfogadott, ami tömegegységben 1, 66057.10-27 kg.
Így a hidrogén 1-gyel egyenlő atomtömege azt mutatja, hogy a H1 hidrogénatom 12-szer könnyebb, mint a C12. Egy kémiai vegyület molekulatömegét megszorozva 1-gyel, 66057.10-27, megkapjuk a molekula tömegének értékét kilogrammban.
A gyakorlatban azonban kényelmesebb Mot=M/D értéket használnak, ahol M a molekula tömege D-vel azonos tömegegységekben. Az oxigén szénegységekben kifejezett molekulatömege: 16 x 2=32 (az oxigénmolekula kétatomos). Ugyanígy a kémiai számításoknál más vegyületek molekulatömegét is számítják. A hidrogén molekulatömege, amelyben a molekula szintén kétatomos, rendre 2 x 1=2.
A molekulatömeg egy molekula átlagos tömegének jellemzője, figyelembe veszi az adott kémiai anyagot alkotó összes elem izotópos összetételét. Ez a mutató több anyag keverékére is meghatározható, amelynek összetétele ismert. Különösen a levegő molekulatömege 29.
Korábban a kémiában a gramm-molekula fogalmát használták. Ma ezt a fogalmat egy mól váltotta fel - az anyag mennyisége, amely annyi részecskét (molekulákat, atomokat, ionokat) tartalmaz, amelyek megegyeznek az Avogadro-állandóval (6,022 x 1023). A mai napig hagyományosan a „mól (molekula) tömeg” kifejezést is használják. De a tömeggel ellentétben, amely a földrajzi koordinátáktól függ, a tömeg állandó paraméter, ezért még mindig helyesebb ezt a fogalmat használni.
A levegő molekulatömege, más gázokhoz hasonlóan, az Avogadro törvénye alapján határozható meg. Ez a törvény kimondja, hogy azonos körülmények között azonos térfogatú gázokban ugyanannyi molekula van. Ennek eredményeként egy bizonyos hőmérsékleten és nyomáson egy mol gáz ugyanazt a térfogatot fogja elfoglalni. Figyelembe véve, hogy ezt a törvényt az ideális gázokra szigorúan betartják, egy 6,022 x 1023 molekulát tartalmazó gáz mólja 0 °C-on és 1 atmoszféra nyomáson 22,414 liter térfogatot foglal el.
A levegő vagy bármely más gáznemű anyag molekulatömege a következő. Valamilyen ismert térfogatú gáz tömege meghatározottnyomás és hőmérséklet. Ezután korrekciókat vezetünk be a valódi gáz nem-idealitása miatt, és a PV=RT Clapeyron-egyenlet segítségével a térfogatot 1 atmoszféra és 0 °C nyomásviszonyokra csökkentjük. Továbbá, ismerve a térfogatot és a tömeget ilyen körülmények között ideális gáz, könnyen kiszámítható a vizsgált gáznemű anyag 22,414 liter tömege, azaz molekulatömege. Így határozták meg a levegő molekulatömegét.
Ez a módszer meglehetősen pontos molekulatömeg-értékeket ad, amelyeket néha még a kémiai vegyületek atomtömegének meghatározására is használnak. A molekulatömeg durva becsléséhez a gázt általában ideálisnak tekintik, és nem végeznek további korrekciókat.
A fenti módszert gyakran használják az illékony folyadékok molekulatömegének meghatározására.
