Isomeren zijn moleculen met dezelfde molecuulformule (hetzelfde aantal van elk type atoom) maar verschillende structurele arrangementen. Deze verschillende arrangementen kunnen tot aanzienlijk verschillende eigenschappen leiden.

Hier zijn enkele voorbeelden van soorten isomerie:

* Structurele isomeren: Deze hebben dezelfde molecuulformule, maar verschillen in de manier waarop de atomen met elkaar verbonden zijn. Butaan en isobutaan hebben bijvoorbeeld beide de formule C4H10, maar butaan heeft een rechte ketenstructuur, terwijl isobutaan een vertakte structuur heeft.

* Geometrische isomeren: Deze hebben dezelfde molecuulformule en connectiviteit, maar verschillen in de ruimtelijke rangschikking van atomen rond een dubbele binding of een ring. Cis-2-buteen en trans-2-buteen hebben bijvoorbeeld beide de formule C4H8, maar de methylgroepen bevinden zich aan dezelfde kant van de dubbele binding in cis-2-buteen en aan weerszijden in trans-2-buteen.

* Enantiomeren: Dit zijn stereo-isomeren die spiegelbeelden van elkaar zijn en niet over elkaar heen kunnen worden gelegd. Ze hebben vaak verschillende biologische activiteiten. Het medicijn thalidomide heeft bijvoorbeeld twee enantiomeren, waarvan er één effectief is bij de behandeling van ochtendmisselijkheid, terwijl de andere teratogeen is (en geboorteafwijkingen veroorzaakt).

Het vermogen van koolstof om meerdere bindingen te vormen en de tetraëdrische geometrie ervan zorgen voor een grote diversiteit aan mogelijke arrangementen, wat leidt tot een groot aantal isomeren. Dit is een van de redenen waarom koolstof de ruggengraat van het leven is en de basis vormt voor zoveel verschillende organische moleculen.