Η μοριακή κλωνοποίηση είναι ένα είδος εργασίας στη μοριακή βιολογία. Χρησιμοποιείται για τη συναρμολόγηση ανασυνδυασμένων μορίων DNA και για την καθοδήγηση του πολλαπλασιασμού τους μέσα σε οργανισμούς-ξενιστές. Η χρήση της λέξης κλωνοποίηση σημαίνει ότι ένα μόριο DNA από ένα μόνο ζωντανό κύτταρο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός μεγάλου πληθυσμού κυττάρων που περιέχουν πανομοιότυπα μόρια DNA. Οι μέθοδοι μοριακής κλωνοποίησης είναι κεντρικές σε πολλούς τομείς της σύγχρονης βιολογίας και ιατρικής.
Η μοριακή κλωνοποίηση χρησιμοποιεί γενικά αλληλουχίες DNA από δύο διαφορετικούς οργανισμούς: το είδος που αποτελεί την πηγή του προς κλωνοποίηση DNA και το είδος που θα χρησιμεύσει ως ζωντανός ξενιστής για τον πολλαπλασιασμό (αντιγραφή) του ανασυνδυασμένου DNA.
Σε ένα πείραμα μοριακής κλωνοποίησης, το προς κλωνοποίηση DNA λαμβάνεται από έναν οργανισμό ενδιαφέροντος και στη συνέχεια επεξεργάζεται με ένζυμα στον δοκιμαστικό σωλήνα για να προκύψουν μικρότερα τμήματα DNA. Αυτά τα θραύσματα εν συνεχεία ενώνονται με DNA φορέα για την παραγωγή ανασυνδυασμένων μορίων DNA. Στη συνέχεια, το ανασυνδυασμένο DNA εισάγεται σε έναν οργανισμό ξενιστή (συνήθως ένα εύκολο στην ανάπτυξη, καλοήθες, εργαστηριακό στέλεχος βακτηρίων E. coli). Έτσι παράγεται ένας πληθυσμός οργανισμών στον οποίο τα ανασυνδυασμένα μόρια DNA αναπαράγονται μαζί με το DNA του ξενιστή. Επειδή περιέχουν ξένα τμήματα DNA, πρόκειται για "διαγονιδιακούς" ή γενετικά τροποποιημένους μικροοργανισμούς (ΓΤΟ).
Η διαδικασία αυτή εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι ένα μόνο βακτηριακό κύτταρο μπορεί να προκληθεί για να προσλάβει και να αναπαραγάγει ένα μόνο ανασυνδυασμένο μόριο DNA. Αυτό το μεμονωμένο κύτταρο μπορεί στη συνέχεια να επεκταθεί εκθετικά για να δημιουργήσει μια μεγάλη ποσότητα βακτηρίων, καθένα από τα οποία περιέχει αντίγραφα του αρχικού ανασυνδυασμένου μορίου. Έτσι, τόσο ο προκύπτων βακτηριακός πληθυσμός όσο και το ανασυνδυασμένο μόριο DNA αναφέρονται συνήθως ως "κλώνοι". Αυστηρά μιλώντας, το ανασυνδυασμένο DNA αναφέρεται στα μόρια DNA, ενώ η μοριακή κλωνοποίηση αναφέρεται στις πειραματικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη συναρμολόγησή τους.