Les macromolécules biologiques sont en général de dimensions trop petites pour être accessibles à des moyens d'observation directs tel que la microscopie. C'est par l'analyse de données indirectes ou composites que les chercheurs peuvent reconstituer un modèle moléculaire, c'est-à-dire une reconstruction tridimensionnelle présentant la meilleure adéquation avec les résultats expérimentaux. Ces données sont issues principalement d'analyses cristallographiques (étude des figures de diffraction des rayons X par un cristal), de résonance magnétique nucléaire, de cryomicroscopie électronique ou de techniques de diffusion aux petits angles (diffusion des rayons X ou diffusion des neutrons). Les données issues de ces expériences constituent des données (ou contraintes) expérimentales qui sont utilisées pour calculer un modèle de la structure 3D. Le modèle moléculaire obtenu peut être est un ensemble de coordonnées cartésiennes des atomes composant la molécule, on parle alors de modèle atomique, ou une "enveloppe", c'est à dire une surface 3D décrivant la forme de la molécule, à plus basse résolution. L'informatique intervient dans toutes les étapes conduisant de l'expérimentation au modèle, puis ensuite dans l'analyse du modèle par la visualisation moléculaire (voir les protéines en 3D).
Un autre volet de la modélisation moléculaire concerne la prédiction de la structure 3D d'une protéine à partir de sa structure primaire (l'enchaînement des acides aminés qui la composent), en prenant en compte les différentes propriétés physico-chimiques des acides aminés. Cela a un grand intérêt car la fonction, l'activité d'une protéine dépendent de sa forme. De même, la modélisation des structures 3D d'acides nucléiques (à partir de leur séquence nucléotidique) revêt la même importance que pour les protéines, en particulier pour les structures d'ARN.
La connaissance de la structure tri-dimensionnelle permet d'étudier les sites actifs d'une enzyme, mettre au point informatiquement une série d'inhibiteurs potentiels pour cette enzyme, et ne synthétiser et ne tester que ceux qui semblent convenir. Cela permet de réduire les coûts en temps et en argent de ces recherches.
De même la connaissance de cette structure permet de faciliter l'alignement de séquences protéiques.
La visualisation de la structure tridimensionnelle d'acides nucléiques (ARN et ADN) fait également partie de la palette des outils bio-informatiques très utilisés.
