لیزرهای مولکولی لیزرهای گازی هستند که در آن اجزای فعال لیزر به جای اتم ها یا یون های جدا، مولکول هستند. نمونه هایی برای چنین مولکول هایی عبارتند از CO2 (دی اکسید کربن)، CO (مونوکسید کربن)، N2 (نیتروژن)، HF (هیدروژن فلوراید)، DF (دوتریوم فلوراید)، NH3 (آمونیاک) و CH3OH (متانول). یکی از حالت‌های برانگیخته چنین مولکول‌هایی بهره‌برداری می‌کند که می‌توانند نه تنها یک تحریک کاملاً الکترونیکی (مانند اتم‌ها یا یون‌ها) بلکه ارتعاشات و چرخش مولکول‌ها را نیز شامل شود. انرژی‌های برانگیختگی در بیشتر موارد نسبتاً کوچک هستند که منجر به انتشار لیزر با طول موج‌های بلند در ناحیه طیفی مادون قرمز میانی یا دور می‌شود.
ممکن است تعداد قابل توجهی از خطوط چرخشی-ارتعاشی وجود داشته باشد که چنین لیزری را می توان روی آنها کار کرد (← لیزرهای ویبرونیک)، اما انتشار تک خطی و حتی عملکرد تک فرکانس با فیلتر باند گذر درون حفره دشوار نیست، زیرا داپلر گسترش انتقال لیزری بسیار ضعیف است. با این حال، اگر فشار نسبتاً زیاد باشد، خطوط مختلف ممکن است به دلیل گشاد شدن فشار با هم همپوشانی داشته باشند و در نتیجه پهنای باند بهره بیشتر شود.