Jika molekul diatomik terdiri dari atom-atom dari dua unsur yang berbeda, maka itu adalah molekul diatomik heteronuklear. Ada tujuh unsur yang secara alami terjadi sebagai molekul diatomik homonuklear dalam bentuk gasnya: hidrogen, nitrogen, oksigen, fluor, klor, brom, dan yodium. Molekul atom dapat berupa homonuklear atau heteronuklear. Molekul diatomik homonuklear terdiri dari dua atom dari unsur yang sama, seperti dalam kasus oksigen dan nitrogen yang ditunjukkan pada ilustrasi di sini.