Głównymi konstruktorami maszyn molekularnych byliby chemicy. Najprostsze takie maszyny mogły zawierać tylko jedną cząsteczkę. Jednak najbardziej powszechnymi konstrukcjami byłyby bardzo precyzyjnie zdefiniowane architektury elementów/cząsteczek, które są ze sobą połączone zgodnie z zasadą „mechanicznie powiązane architektury molekularne”. Przykładami takich struktur są rotakseny i katenaty. Silniki molekularne składają się z cząsteczek skłonnych do obracania się, gdy otrzymują energię z zewnętrznego źródła. Zaprojektowano wiele maszyn molekularnych wykorzystujących światło do reagowania z innymi cząsteczkami. Śmigło molekularne to cząsteczka, która może wypychać płyn podczas obrotu, dzięki swojej unikalnej formie i konstrukcji analogicznej do makroskopowych śmigieł. Istnieje kilka noży w skali molekularnej przymocowanych pod pewnym kątem na obrzeżach nanowymiarowej włóczni. Przełącznik molekularny to cząsteczka odwracalnie poruszająca się między dwoma lub więcej stanami stabilnymi w odpowiedzi na zmiany pH, temperatury, prądu elektrycznego, mikrośrodowiska, obecności ligandów. Przełącznik molekularny to cząsteczka zdolna do łączenia cząsteczek lub jonów między dwoma bliskimi lokalizacjami. Pęsety molekularne to cząsteczki zdolne do trzymania się między dwoma ramionami, wykorzystując wiązania niekowalencyjne, wiązania wodorowe lub koordynację metaliczną, siły hydrofobowe, siły Van der Waalsa, interakcje π-π lub efekty elektrostatyczne. Przykładem twistera molekularnego jest konstrukcja DNA, podobnie jak DNA maszyny. Czujnik molekularny to cząsteczka zdolna do interakcji z analitem, powodując obserwowalną zmianę. Łączą rozpoznawanie molekularne z jakąś formą raportowania. Molekularny próg logiczny to cząsteczka zdolna do wykonywania operacji logicznych z odpowiednimi wejściami logicznymi, przekształcając je w logiczne „wyjście”