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構成細胞結構並進行細胞活動的分子是巨大的、高度組織性的分子，被稱為大分子，其包含幾十個到數百萬個碳原子。根據它們的大小及可以假定的複雜形狀，這些大分子中的一些可以以很高的精度和效率執行複雜的任務。大分子的存在，比其他任何特徵都更能賦予有機體生命的特性，使它們在化學上有別於無生命的世界。細胞中的大分子主要有四類：核酸、蛋白質、脂類及糖類，上面提到的DNA就是核酸的一種。 這些大分子都是由單體通過聚合過程形成的，類似於將車廂連接到火車頭上，每種大分子的基本結構和功能在所有生物中都是相似的，這也是生命過程統一性的一個重要基礎。
》核酸
核酸是由稱為核苷酸單體構成的大分子，主要功能是存儲和傳遞遺傳信息。在生物體中有兩種核酸，分別是脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。DNA是所有細胞生物的遺傳物質，而RNA則是許多病毒的遺傳物質。另外，存儲在DNA中的信息通過RNA信息的形成來控制細胞活動。
DNA是一種線性、無分支的多聚分子，由四種化學性質不同的核苷酸單體（2『-脫氧腺苷5』-三磷酸、2『-脫氧胞苷5』-三磷酸、2『-脫氧鳥苷5』-三磷酸、2『-脫氧胸苷5』-三磷酸，分別簡寫為A、C、G、T）連接而成。 地球上所有的活細胞都是以DNA雙鏈分子的形式存儲它們的遺傳信息。將真核細胞的圖示放大一些，就可以看到細胞核中的淺藍色物質就是DNA，如下圖所示。
核苷酸單體由三個部分組成，分別是2『脫氧核糖、含氮鹼基和磷酸基團。20世紀50年代，Watson和Crick利用各種生物物理數據（如螺旋結構中的纖維數目、核苷酸的間距）、X射線衍射圖譜及鹼基比例推斷出DNA是一種呈現右手螺旋的雙螺旋結構。這種結構由兩種化學相互作用來穩定：一種是一條鏈上的鹼基與另一條鏈上的鹼基進行配對形成的氫鍵；另一種則是鹼基堆積力，即相鄰鹼基之間的疏水性相互作用。
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RNA也是一個多聚核苷酸，與DNA類似，它的核苷酸單體也是由三部分組成，分別是五碳糖、含氮鹼基和磷酸基。但RNA與DNA相比有兩點不同：第一點是RNA核苷酸中的糖不是脫氧核糖，而是核糖；第二點則是它沒有胸腺嘧啶，而是含有尿嘧啶。由於RNA中的磷酸二酯鍵比DNA中的磷酸二酯鍵穩定性差，所以儘管許多RNA形成分子內的鹼基配對，但大多數RNA還是單鏈形式而不是雙鏈。
雖然大多數RNA是單鏈，但它們經常會摺疊起來，產生具有廣泛的雙鏈段和複雜的三維結構的分子。如核糖體RNA會作為結構支架使核糖體的蛋白質可以附著在上面，並作為識別和結合蛋白質合成所需的各種可溶性成分的元素。也有些RNA具有催化作用，能夠切割自己的RNA鏈或將DNA分子的兩條鏈連接在一起。
》蛋白質
蛋白質是一種幾乎執行所有細胞活動的分子機器。它由胺基酸單體聚合而成，與DNA稍有不同的是，天然胺基酸的種類可以多達20種，這使其在排列組合上面具有比DNA更多的可能性。最終，獨特的胺基酸序列賦予蛋白質獨特的分子特性。在幾乎具有無限可能的分子結構下，每個蛋白質都依照其獨特的結構來執行特定的功能。
作為酶，蛋白質極大地加快了代謝反應的速度;蛋白質作為結構索，在細胞內和細胞外提供機械支持；
作為激素和生長因子，蛋白質具有多種調節功能；
作為細胞膜受體和轉運體，蛋白質決定了細胞對什麼反應以及什麼類型的物質進入或離開細胞；
作為可收縮的纖維和分子馬達，蛋白質構成了生物運動的機器。
在許多其他功能中，還可以充當抗體、充當毒素、形成血塊以及將物質從身體的一個部位運輸到另一個部位。
所有的胺基酸都有一個羧基和一個氨基，它們被一個單一的碳原子隔開。在中性水溶液中，羧基失去質子，以帶負電狀態存在(-COO )， 氨基接受一個質子，以帶正電狀態存在(NH3)。不同胺基酸的區別在於其與-碳相連的側鏈或R基，這些結構在不同的胺基酸中變化很大，其特徵決定了蛋白質分子的相互作用，也正是這一原因最終賦予了蛋白質不同的結構和活性。如果把不同的胺基酸側鏈放在一起考慮，它們表現出多種多樣的結構特徵，從完全帶電到疏水，它們可以參與多種多樣的共價鍵和非共價鍵。
上述20種胺基酸大體可分為四類：極性帶電、極性不帶電、非極性和具有獨特性質。
極性帶電類胺基酸包括天冬氨酸、穀氨酸、賴氨酸和精氨酸。這四個胺基酸包含完全帶電的側鏈，即側鏈含有相對強的有機酸和鹼。在生理pH值下，這些胺基酸的側鏈幾乎總是處於完全帶電狀態。因此，它們能夠與細胞內其他帶電物質形成離子鍵。另外，由於組蛋白通過離子鍵連接到帶負電荷的DNA磷酸基，所以組氨酸也被認為是一個極性帶電胺基酸。儘管在大多數情況下，它在生理PH值下只有部分帶電，但由於組氨酸能夠在生理PH值下獲得或失去一個質子，這就使得其成為活性部位的重要殘基。
極性不帶電類胺基酸包括天冬氨酸、穀氨酸、蘇氨酸、絲氨酸和酪氨酸。這些胺基酸的側鏈帶有部分負電荷或正電荷，可以與包括水在內的其他分子形成氫鍵，並具有很強的反應性。
非極性類胺基酸包括丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸。這些胺基酸的側鏈通常缺乏氧和氮，而且不能形成靜電鍵或與水相互作用。它們中的一個或另一個可以緊緊地擠在蛋白質核心的特定空間裡，在范德華力和疏水相互作用的作用下相互聯繫。
具有獨特性質的胺基酸是甘氨酸、脯氨酸和半胱氨酸。其中，甘氨酸的側鏈僅由一個氫原子組成，這能夠使兩個多肽(或同一多肽的兩個片段)的主鏈可以非常接近彼此。同樣，也會比其他的胺基酸更靈活，允許主幹部分移動或形成鉸鏈。脯氨酸的獨特之處在於它的-氨基作為環的一部分，並使其成為亞胺酸。而半胱氨酸則是含有一個活性巰基(SH)，能夠與另一個半胱氨酸殘基共價連接形成二硫鍵(SS)。
需要注意的是，這20種胺基酸並不是全部的胺基酸，這些胺基酸被併入多肽鏈後由於側鏈的改變會轉化為其他的胺基酸，如將一個磷酸基團可逆地添加到絲氨酸或蘇氨酸殘基。這種變化能夠顯著改變蛋白質的結構和功能，或是改變與其他分子的相互作用，有時單個磷酸基團的存在或缺失都有可能導致一個正常細胞突變為癌細胞。
在蛋白質的合成過程中，每個胺基酸都與另外兩個胺基酸相連，形成一個長而連續的無支鏈聚合物，這條鏈也被稱為多肽鏈。注意，組成多肽鏈的胺基酸是通過肽鍵連接的，肽鍵由一個胺基酸的羧基與相鄰胺基酸的氨基相連，並消除一個分子的水。下圖就是一個多肽鏈。多肽鏈的長度一般為450個胺基酸左右，但最長的可以超過30000個胺基酸。我們會將被併入多肽鏈的胺基酸稱為殘基，對於肽鏈兩頭的殘基來說，一個含有游離的氨基，另一個則含有游離的羧基。
》糖類
大多數糖的通式是(CH2O)n。在細胞代謝中起重要作用的糖的n值從3到7不等。含三個碳的糖稱為三糖，有四個碳的稱為四糖，有五個碳的稱為戊糖，有六個碳的稱為己糖，有七個碳的稱為庚糖。每個糖分子由碳原子的骨架組成，這些碳原子通過單鍵以線性排列連接在一起（下圖就是葡萄糖的直鏈公式）。除了帶有羰基(CPO)的羥基外，主鏈上的每個碳原子都連著一個羥基。如果羰基位於內部位置(形成酮基)，則該糖為酮糖，如果糖，如下圖所示。如果羰基位於糖的一端，就會形成一個醛基，這個分子被稱為醛糖。
有五個或更多碳原子的糖會發生自我反應，轉化為一個封閉的或含環的分子。這種環節結構通常被描述為垂直於紙張平面的平面結構，但事實上它是一個類似於椅子的三維構象，如下所示。
單糖可以通過共價糖苷鍵相互連接形成更大的分子。糖苷鍵是由一種糖的碳原子C1和另一種糖的羥基反應形成的，在兩種糖之間產生碳氧鍵。糖可以通過多種不同的糖苷鍵連接，只有兩個糖單元組成的分子是雙糖。雙糖主要是作為現成的能量儲存物。蔗糖是植物汁液的主要成分，它將化學能量從植物的一個部分輸送到另一個部分。乳糖存在於大多數哺乳動物的乳汁中，為新生哺乳動物的早期生長和發育提供燃料。
肝臟組織含有一種不溶性的葡萄糖聚合物，其發現者將這種物質命名為糖原。各種食物物質(如蛋白質)被運送到肝臟後被化學轉化為葡萄糖並以糖原的形式儲存起來。然後，當身體需要糖作為燃料時，肝臟中的糖原轉化為葡萄糖，釋放到血液中，以滿足葡萄糖消耗殆盡的組織。
糖原是一種支鏈聚合物的多糖類物質，只包含葡萄糖這一種單體，它的大部分糖單位也是通過糖苷鍵彼此連接，但不是像聚合物的非支鏈段那樣與兩個相鄰單元相連，而是與三個相鄰單元相連。糖原在大多數動物中充當著儲存剩餘化學能的倉庫，其儲存在細胞內後，會在電子顯微鏡下呈深染的不規則顆粒狀高度集中。而在大多數植物中，充當著儲存剩餘化學能倉庫的則是澱粉。
澱粉和糖原一樣也是葡萄糖的聚合物，是直鏈澱粉和支鏈澱粉兩種不同聚合物的混合物 。在植物細胞中，澱粉被包裹在細胞膜細胞器(質體)中，以密集的顆粒或澱粉粒的形式儲存。雖然動物不合成澱粉，但它們能夠用澱粉酶很容易地水解澱粉。其他的多糖還有纖維素、幾丁質和糖胺聚糖等。這幾類都屬於結構類多糖，如纖維素是植物細胞壁的主要成分，只由葡萄糖單體組成，棉織品的耐用性要歸功於它。
但並非所有的生物多糖都由葡萄糖單體組成，如幾丁質是N-乙醯氨基葡萄糖的非支鏈聚合物，是一種在無脊椎動物中廣泛存在的結構物質，其結構與葡萄糖相似，但在環的第二個碳原子上有一個乙醯氨基而不是一個羥基。
具有更複雜結構的多糖是糖胺聚糖。與其他多糖不同，它們的結構是-A-B-A-B-，其中A和B代表兩種不同的糖。廣泛被研究的多糖是肝素，它是由肺和其他組織的細胞在組織損傷時分泌的，可以抑制血液凝固，從而防止血栓的形成以阻止血液流向心臟或肺部。肝素通常是從豬的組織中提取的，幾十年來一直用於預防大手術後患者的血塊。與肝素不同的是，大多數糖胺聚糖存在於細胞周圍的空間中，而最複雜的多糖則存在於植物的細胞壁中。
》脂類
脂類是一組能夠在有機溶劑或水中進行溶解的非極性分子，這種能力解釋了其許多不同的生物功能。在細胞中，其重要作用的脂類一般有脂肪、類固醇和磷脂三種。
脂肪的主要成分為甘油三酯，由1個甘油分子和3個長鏈的脂肪酸分子組成。相對來說，甘油分子結構比較簡單，而脂肪酸分子則要複雜一些，它是長而不支鏈的烴類鏈，一端只有一個羧基，如下圖所示。
因為脂肪酸分子的兩端有非常不同的結構，它們也有不同的性質。烴鏈是疏水的，但在生理PH值下帶負電荷的羧基則是親水的。具有疏水性和親水性區域的分子稱為兩性分子，這些分子一般都具有非同尋常的重要特性。如肥皂就是由脂肪酸組成的物質，脂肪酸的疏水端可以嵌入到油脂中，使肥皂具有溶解油脂的能力，同時親水端可以與周圍的水相互作用，使油脂物質轉化為可被水分散的混合物。
不同的脂肪酸在烴鏈長度和雙鍵是否存在上也是不同的。細胞中脂肪酸的長度一般在14~20個碳之間，缺乏雙鍵的脂肪酸被稱為飽和脂肪酸，具有雙鍵的脂肪酸則是不飽和脂肪酸。由於雙鍵會在脂肪酸鏈上產生扭結，所以鏈中雙鍵越多，這些長鏈聚集在一起的效率就越低。從結構上來說，一個脂肪分子可以包含三個相同的脂肪酸，也可以包含不止一種脂肪酸，大多數天然脂肪都是含有不同脂肪酸種類分子的混合物。
脂肪的另外一個重要特徵是其含有豐富的化學能，相比於碳水化學物，同等量的脂肪所含的能量要多出一倍。從時效性上來說，碳水化學物是一種短期的能量來源，而脂肪則是長期的能量儲備。一個人可以在一天之內耗盡身體內的碳水化學物，但要消耗點儲存的脂肪則需要很久。
在許多動物中，脂肪存儲在特殊的脂肪細胞中，其細胞質中充滿一個或幾個大的干脂滴，原因在於脂肪缺乏極性基團，所以既不溶於水，只能以這種極度濃縮的形式儲存在細胞中。
下面再來說一下類固醇。所有類固醇都有基本的四環骨架，但在此基礎上的微小差異，卻能夠產生迥異的生物學功能。膽固醇是應該算是最重要的類固醇了，它是動物細胞膜的組成部分。植物細胞中大部分沒有膽固醇，這就是為什麼植物油被認為是不含膽固醇的，但植物細胞中可能含有大量的相關化合物，這一點仍有待驗證。另外，睪丸素和雌激素也是很重要的類固醇物質。
圖：膽固醇、睪丸素和雌激素分子結構對比
最後一種重要的脂類物質就是磷酯。它主要在細胞膜中發揮作用，其成分可以決定細胞膜的性質，普通磷脂的化學結構如下所示。