Ekologia molekularna – interdyscyplinarna dziedzina biologii, w której metody genetyki molekularnej wykorzystywane są do badania zagadnień ekologicznych. W zależności od zakresu wykorzystuje również elementy m.in. biologii ewolucyjnej i behawioralnej. Wyróżniane są dwa różne, choć zazębiające się podejścia w ekologii molekularnej: opisowe, w którym dane o częstotliwości genów służą do opisu poziomu zmienności genetycznej w populacji, oraz mechanistyczne, zajmujące się opisem wpływających na to mechanizmów.
Za początek współcześnie rozumianej ekologii molekularnej uznaje się zwykle odkrycie w połowie lat 60. XX wieku, że na podstawie strukturalnych różnic pomiędzy allozymami można badać zmienność genetyczną. Późniejszy rozwój tej dziedziny wiązał się głównie z odkrywaniem markerów bardziej przydatnych w analizach populacyjnych, opartych na sekwencjach DNA. Bardzo istotne dla rozwoju ekologii molekularnej było opracowanie w latach 80. łańcuchowej reakcji polimerazy, która znacznie ułatwiła amplifikowanie DNA. Obecnie w ekologii molekularnej wykorzystywane są zarówno markery genetyczne dziedziczone od jednego z rodziców – takie jak mitochondrialny DNA i chloroplastowy DNA – oraz zwykle dziedziczone dwurodzicielsko markery jądrowe.