การทดลองเชิงโมเลกุลเดี่ยว (อังกฤษ: Single Molecule Experiment หรือ SME) เป็นการติดตามผลที่เกิดจากแต่ละโมเลกุล ไม่ไดัวัดผลทั้งกลุ่มก้อนการทดลองโดยทั่วไปที่รู้จักกันเป็นการวัดค่าหรือการสังเกตผลอันเกิดจากโมเลกุลต่าง ๆ ที่อยู่ในระบบ สิ่งที่วัดได้นั้นมักจะเป็นผลมาจากโมเลกุลจำนวนมากและอาจกล่าวว่าค่าที่วัดได้ก็จะเป็นค่าโดยเฉลี่ยจากพฤติกรรมของโมเกลกุลเหล่านี้ในช่วงเวลาหนึ่ง การวัดค่าด้วยวิธีดั้งเดิมนี้จึงอาจเรียกได้ว่าเป็น การวัดโดยรวมทั้งกลุ่มก้อน (Bulk measurement) ซึ่งถ้าทุกโมเลกุลมีพฤติกรรมคล้ายคลึงกันแล้ว ค่าที่วัดได้ก็สามารถเป็นตัวแทนที่ดีของทั้งระบบและของโมเลกุลเองด้วยอย่างไรก็ตามค่าที่วัดได้จากกลุ่มก้อน ก็ไม่จำเป็นจะเป็นตัวแทนที่ดีของโมเลกุลเสมอไป โดยเฉพาะในกรณีที่แต่ละโมเลกุลมีพฤติกรรมแตกต่างกันมาก ดังนั้นเพื่อการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในแต่ละโมเลกุล จึงมีการทดลองอีกประเภทหนึ่งซึ่งเป็นการติดตามผลที่เกิดจากแต่ละโมเลกุลเดี่ยว เรียกว่าการทดลองเชิงโมเลกุลเดี่ยว ซึ่งช่วยทำให้เราสามารถเปรียบเทียบสิ่งที่วัดได้จากการวัดโดยรวมทั้งกลุ่มก้อน ว่าเป็นตัวแทนที่ดีของแต่ละโมเลกุลหรือไม่ ถ้าไม่ใช่ตัวแทนที่ดีแล้ว แต่ละโมเลกุลมีพฤติกรรมแตกต่างกันออกไปอย่างไร ซึ่งมักจะทำให้สามารถค้นพบคุณสมบัติพิเศษของโมเลกุลที่ไม่อาจวัดได้ด้วยวิธีปกติ เนื่องจากสัญญาณรบกวนจากสิ่งแวดล้อมหรือสัญญาณของโมเลกุลอื่น ๆ มาบดบังสำหรับเทคนิคในการวัดนั้นอาจจำแนกออกเป็นเทคนิคที่เคลื่อนไหวโมเลกุลโดยตรงและเทคนิควัดการเรืองแสง