Студијски програм докторских студија Молекуларна биологија носи укупно 180 ЕСПБ, траје 3 године и обухвата два модула:
 -модул Молекуларна биологија, са подмодулима: Молекуларна микробиологија и биотехнологија, Молекуларна биомедицина и Молекуларна генетика и геномика
  -модул Физиологија са подмодулима Анимална и хумана физиологија, Биофизика са биоинформатиком, Транслациона истраживања у неуробиологији и биомедицини, Имунобиологија и Неурофизиологија.

Избором подмодула студент се опредељује за ужу област истраживања и за ментора уз чију помоћ врши избор предмета које ће похађати. Током прве године студент похађа један предмет обавезан за подмодул (који носи 9ЕСПБ) и два изборна предмета (укупно 18 ЕСПБ) и стиче лабораторијске вештине неопходне за израду докторске дисертације (укупно 33 ЕСПБ). Током друге године студија, поред два изборна предмета (укупно 18 ЕСПБ) студент кроз предмет Одбрана докторског пројекта (10 ЕСПБ), у сарадњи са ментором и тутором, припрема предлог свог докторског пројекта који на крају зимског семестра брани, што представља основу за израду докторске дисертације. Студент је у другој години студија ангажован и на изради докторске дисертације (укупно 32 ЕСПБ). Студијски истраживачки рад, између осталог, обухвата и „ротације“ - експериментални рад у трајању од по неколико недеља у различитим лабораторијама. Циљ ове активности је савладавање експерименталних вештина и обогаћивање експерименталног искуства, што је кључни моменат у образовању савременог молекуларног биолога и физиолога. У шестом семестру, поред израде докторске дисертације, кроз предмет Презентација експерименталних резултата из докторске дисертације студент припрема презентацију публикованих резултата својих истраживања које презентује пред аудиторијумом који чине ментор(и), тутор и стручна Комисија.

Студенти могу одабрати и курсеве са одговарајућих докторских програма других високошколских установа на Универзитету у Београду.

Настава се одвија у току прве две године студија, док је у трећој години предвиђен студијски истраживачки рад и финализација докторске дисертације. Експериментални и теоријски рад на дисертацији одвија се под руководством ментора и тутора, уз консултовање Саветодавне комисије, чије су улоге да допринесу квалитету и ефикасности реализације докторске дисертације кандидата.

Циљ програма Молекуларна биологија је да обезбеди интелектуални оквир за развој високо образованих и креативних младих научника од којих се очекује да у будућности преузму водеће позиције у научним истраживањима, универзитетској настави и делатностима у којима ће стечена знања примењивати (медицина, фармација, биотехнологија, пољопривреда итд).

Савремена достигнућа молекуларне биологије и физиологије нашла су широку примену у многим делатностима (пољопривереда, шумарство, прехрамбена, фармацеутска и хемијска индустрија као и поједине гране медицине). На Биолошком факултету Универзитета у Београду едуковане су бројне генерације молекуларних биолога и физиолога који налазе своје место у научно-истраживачким и академским институцијама, у развојним лабораторијама у индустрији, у клиничким лабораторијама и лекарским тимовима, где својим знањем треба да доприносу усавршавању дијагностичких, прогностичких и терапеутских протокола. У нашој земљи уочава се неопходност постојања виших нивоа образовања у овој области и потреба за молекуларним биолозима и физиолозима способним да одговоре на високе захтеве данашњег времена. Сврха докторског студијског програма Молекуларна биологија је управо развој таквих кадрова.