การคำนวณระดับโมเลกุลเป็นคำทั่วไปสำหรับรูปแบบการคำนวณใด ๆ ที่ใช้อะตอมหรือโมเลกุลแต่ละตัวเป็นวิธีในการแก้ปัญหาการคำนวณ การคำนวณระดับโมเลกุลเกี่ยวข้องกับการคำนวณ DNA บ่อยที่สุดเพราะมันมีความก้าวหน้ามากที่สุด แต่ก็สามารถอ้างถึงการคำนวณควอนตัมหรือประตูตรรกะระดับโมเลกุล การคำนวณระดับโมเลกุลทุกรูปแบบกำลังอยู่ในช่วงวัยเด็ก แต่ในระยะยาวมีแนวโน้มที่จะแทนที่คอมพิวเตอร์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมซึ่งประสบปัญหาและอุปสรรคต่อการทำงานในระดับที่สูงขึ้น
หนึ่งกิโลกรัมของคาร์บอนประกอบด้วยอะตอม 5 x 10 25 ลองจินตนาการว่าเราสามารถใช้อะตอมเพียง 100 อะตอมในการจัดเก็บเพียงบิตเดียวหรือทำการคำนวณ การใช้การคำนวณแบบขนานขนาดใหญ่การคำนวณระดับโมเลกุลที่มีน้ำหนักเพียงกิโลกรัมสามารถประมวลผลได้มากกว่า 10 27 การดำเนินงานต่อวินาทีเร็วกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดของวันนี้มากกว่าพันล้านเท่าในปัจจุบัน ด้วยพลังการคำนวณที่มากขึ้นเราสามารถบรรลุผลสำเร็จในการคำนวณและการจำลองที่เป็นไปไม่ได้สำหรับเราในปัจจุบัน
ข้อเสนอที่แตกต่างกันสำหรับคอมพิวเตอร์โมเลกุลนั้นแตกต่างกันไปตามหลักการทำงาน ในการคำนวณดีเอ็นเอ DNA ทำหน้าที่เป็นซอฟต์แวร์ในขณะที่เอนไซม์ทำหน้าที่เป็นฮาร์ดแวร์ DNA ที่สังเคราะห์ขึ้นเองจะถูกรวมกับเอ็นไซม์ในหลอดทดลองและขึ้นอยู่กับความยาวของเกลียวเอาท์พุตที่ได้ผลลัพธ์สามารถหาวิธีแก้ปัญหาได้ การคำนวณดีเอ็นเอนั้นมีประสิทธิภาพอย่างมากในศักยภาพของมัน การคำนวณ DNA นั้นไม่เป็นสากลซึ่งหมายความว่ามีปัญหาที่ไม่สามารถแก้ไขได้ในหลักการ มันสามารถตอบกลับใช่หรือไม่ใช่คำตอบสำหรับปัญหาการคำนวณ ในปี 2545 นักวิจัยในอิสราเอลสร้างคอมพิวเตอร์ DNA ซึ่งสามารถทำงานได้ 330 ล้านล้านต่อวินาทีเร็วกว่า 100,000 เท่าของความเร็วของพีซีที่เร็วที่สุดในเวลานั้นมากกว่า 100,000 เท่า
ข้อเสนออีกประการหนึ่งสำหรับการคำนวณระดับโมเลกุลคือการคำนวณเชิงปริมาณ การคำนวณควอนตัมใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ควอนตัมเพื่อทำการคำนวณและรายละเอียดมีความซับซ้อน การคำนวณควอนตัมขึ้นอยู่กับอะตอม supercooled ที่ถูกล็อคในสถานะที่พันกัน ความท้าทายที่สำคัญคือเมื่อจำนวนขององค์ประกอบการคำนวณเพิ่มขึ้น (qubits) มันจะยากมากขึ้นในการป้องกันคอมพิวเตอร์ควอนตัมจากสสารที่อยู่ด้านนอกทำให้มันกลายเป็น decohere กำจัดควอนตัมเอฟเฟกต์ สิ่งนี้ทำลายการคำนวณ การคำนวณควอนตัมอาจพัฒนาเป็นแอปพลิเคชั่นที่ใช้งานได้จริง แต่นักฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์จำนวนมากยังคงสงสัย
คอมพิวเตอร์โมเลกุลที่มีความก้าวหน้ายิ่งกว่านั้นจะเกี่ยวข้องกับเกทลอจิกนาโนสเกลหรือส่วนประกอบนาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่ดำเนินการประมวลผลในรูปแบบทั่วไปสากลและควบคุม น่าเสียดายที่ปัจจุบันเราขาดความสามารถในการผลิตที่จำเป็นในการสร้างคอมพิวเตอร์ดังกล่าว หุ่นยนต์ระดับนาโนที่มีความสามารถในการวางอะตอมแต่ละตัวในรูปแบบที่ต้องการนั้นจำเป็นที่จะต้องตระหนักถึงคอมพิวเตอร์โมเลกุลประเภทนี้ ความพยายามเบื้องต้นในการพัฒนาหุ่นยนต์ประเภทนี้กำลังดำเนินการอยู่ แต่ความก้าวหน้าครั้งสำคัญอาจใช้เวลาหลายทศวรรษ
