Jako mezihvězdný plyn označujeme molekuly a atomy jednotlivých prvků. Chemické složení je podobné jako u hvězd a to převážně vodík (70 %), helium (28 %) a těžší prvky (2 %). Průměrná hustota mezihvězdného plynu je 1 atom/cm3, v mezihvězdných oblacích, mlhovinách je hustota o něco větší 10 až 300 atomů/cm3, výjimečně až 1018 (pro srovnání: hustota zemské atmosféry je 1019 molekul/cm3).
Při srážkách jednotlivých atomů mezi sebou nebo za asistence prachových částic vznikají v mezihvězdném prostředí i různě složité molekuly. Stejně jako v atomech, tak i v molekulách dochází k přechodům elektronů mezi jednotlivými hladinami, což je doprovázeno absorpcí nebo emisí fotonů zpravidla viditelného záření.