Молекулярный кластер представляет собой группу из небольшого (счетного) и, в общем случае, переменного числа взаимодействующих атомов (ионов, молекул), минимальное число атомов в кластере равно двум. Верхней границе кластера соответствует такое число атомов, когда добавление еще одного атома уже не меняет свойства кластера, так как переход количественных изменений в качественные уже закончился. Положение верхней границы кластера неоднозначно, но с химической точки зрения большая часть изменений заканчивается, когда число атомов в группе не превышает 1-2 тысячи. Верхнюю границу размеров кластера можно рассматривать как границу между кластером и изолированной наночастицей. Переход от дискретного электронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молекулам, к зонному электронному энергетическому спектру, характерному для твердого тела, происходит через кластеры. Отличительная особенность кластеров - немонотонная зависимость свойств от числа атомов в кластере.

Наиболее известными молекулярными кластерами являются стабилизированные лигандами металлические кластеры M_nL_m (L – молекула лиганда), коллоидные кластеры, фуллерены C_n (n = 60-240), эндоэдральные фуллереновые комплексы M@C_n (M – металл, n = 28, 60-84), экзоэдральные фуллереновые комплесы, например, C₆₀X_n (X = H, I, Br, F, CF₃  n = 2-48) , металлокарбогедрены или меткары M₈C₁₂ (M - переходный металл: Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo и Fe).