原子が串刺しの団子のように直線上に並んでできている分子。２原子分子は全て該当するし、原子３個以上で構成されている分子にも直線上に並んだものが多数ある。星間空間にある星間分子としては、一酸化炭素 CO や一酸化ケイ素 SiO の他、シアン化水素 HCN や HCO⁺（厳密には、これはイオン）などがあり、また炭素がたくさん並んだ C₃，C₅，HCN，HC₃N, HC₅N, HC₁₁N などの炭素鎖分子も発見されている。直線分子の回転エネルギー準位 $E$ は非常に規則的で回転量子数 $J$ により、

$$E=hBJ(J+1)-hDJ^{\rm 2}(J+1)^{\rm 2}$$

で与えられる。ここで $h$ はプランク定数、$B$ は回転定数、$D$ は遠心力定数である。$B$ と $D$ の値は分子によって異なる。回転遷移、星間化学も参照。