甲烷是最简单的烷烃,甲烷分子中四个氢原子的地位完全相同,用其它原子取代其中任何一个氢原子,只能形成一个取代甲烷,例如构造为CH3Cl的化合物只有一个,构造式CH3Cl只代表一个化合物.
用物理方法测得甲烷分子为一正四面体结构,碳原子居于正四面体的中心,和碳原子相连的四个氢原子,居于四面体的四个角（如下图）,四个碳氢键键长都为0.110nm,H-C-H键角都是109.5°
甲烷正四面体型结构可用杂化轨道理论加以解释,是碳原子采取sp杂化轨道的结果.
甲烷分子中的碳氢键是沿着sp杂化轨道对称轴方向发生轨道重叠而形成的,这种键的电子云分布具有圆柱型的轴对称,长轴在两个原子核的联结线上,凡是成键电子云对键轴呈圆柱形对称的键都称为σ键.以σ键相连接的两个原子可以相对旋转而不影响电子云的分布.