一種在高真空下操作的蒸餾方法，這時蒸氣分子的平均自由程大於蒸發表面與冷凝表面之間的距離，從而可利用料液中各組分蒸發速率的差異，對液體混合物進行分離。
在一定溫度下，壓力越低，氣體分子的平均自由程越大。當蒸發空間的壓力很低（10-2～10-4mmHg），且使冷凝表面靠近蒸發表面面（見圖），
其間的垂直距離小於氣體分子的平均自由程時，從蒸發表面汽化的蒸氣分子，可以不與其他分子碰撞，直接到達冷凝表面而冷凝。根據分子運動論，氣體與固體壁面接觸時，單位時間內撞擊單位壁面的摩爾數為：
式中
p為壓力；
R為摩爾氣體常數；
T為絕對溫度；
M為氣體的分子量。純液體的蒸發速率（即單位時間內單位表面所蒸發的摩爾數）也可由上式計算，隻須以飽和蒸氣壓
p°代替式中的
p。
對於分子蒸餾，蒸發出來的氣體分子全部達到冷凝面而冷凝，故蒸發速率之比就是餾出液組成比，即
式中
y
1和
y
2分別為兩組分在汽相中的摩爾分數；
x
1和
x
2分別為兩組分在液相中的摩爾分數；α
M為分子
相對揮發度，其值越大，分子蒸餾越容易進行。液體蒸發表面上的流動情況和液體中組分向蒸發表面的擴散，對分子蒸餾過程有重要影響。減薄液膜厚度，強化液膜的表面更新，都有利於組分分離。
由於分子蒸餾是高真空下的操作，蒸發溫度遠低於物料的正常沸點，因而適用於一些沸點很高或熱穩定性很差的物質的分離和精制。例如從魚肝油中提取維生素A，增塑劑的提純，以及某些油脂的精制。