Man spricht von Stereo-Isomeren, wenn in zwei Molekül-Verbindungen die Verknüpfung der Atome gleich ist, aber Unterschiede bei der räumlichen Anordnung der Atome auftreten.
Bei Molekülen mit Zweifachbindungen und bei Ringen ist die Drehbarkeit von Atomgruppen behindert. Dadurch werden geometrische Isomere möglich. Ein Beispiel für ein solches Isomerenpaar sind die Butendisäuren Fumarsäure und Maleinsäure. Bei der Maleinsäure befinden sich mit den Carboxyl-Gruppen zwei gleiche Atomgruppen auf der gleichen Seite der Doppelbindung: Maleinsäure ist das cis-Isomere (lat. cis: diesseits). Fumarsäure hingegen ist das trans-Isomere (lat. trans: jenseits). So wird die geometrische Isomerie auch als cis/trans-Isomerie bezeichnet. Bei cyclischen Verbindungen sind oft viele geometrische Isomere möglich. So gibt es beim Hexachlorcyclohexan neun Isomere, in denen jedes Kohlenstoff-Atom nur mit einem Chlor-Atom verbunden ist. Das bekannteste ist wohl das Lindan, das früher häufig als Insektizid verwendet wurde.