Всичката материя е масивна колекция от молекули. Молекулите са свързване на два от повече атома, които са най-основната единица на физическата материя. Атомите получават различно тегло в зависимост от броя на протоните и неутроните в ядрото и електроните в околния облак. Една и съща електромагнитна сила, която поддържа един атом заедно, също може да задържи два или повече атома заедно, за да образува молекула, докато множество молекули се обединяват, за да образуват материя.
Атомите, основните градивни елементи на живота, се състоят от три частици: неутрони, протони и електрони. По-голямата част от масата на атома се намира в ядрото, в центъра на атома, състоящо се от протони и неутрони, докато електроните замъгляват зоната извън ядрото. Протоните са заредени положително, докато електроните са отрицателно заредени, а неутроните неутрални. Атомното тегло на атома се определя от броя на протоните и неутроните, докато атомният му номер е равен само на количеството присъстващи протони. Докато електроните могат да се различават, в случай на йони, при които електроните са загубени или спечелени, и неутроните могат не присъстват, както при водородните атоми, които нямат неутрони, броят на протоните в атома никога промени. Тъй като електроните могат да бъдат получени или загубени и неутроните да не бъдат включени, елементите се идентифицират с атомен номер, защото броят на протоните никога не се променя. Периодичната таблица на елементите е диаграма, показваща всички съществуващи елементи, съществуващи, частично подредени по номер. Първият и най-прост елемент, водородът, само с един протон и един електрон, е атомен номер едно, докато по-големите елементи, като радий под номер 88, се показват в реда на техния брой протони.
Молекулите са комбинацията от един или повече атоми в определено вещество. Може би най-известните комбинации са вода (H2O), въглероден диоксид (CO2) и кислород (O2, по-точно диоксид). Химичната формула на молекула (като H2O) показва специфичните атоми в веществото, както и колко от всеки елемент е намерен. В случай на вода (H2O) във всяка молекула вода има два водородни атома и един кислороден атом. Ако молекулата загуби един от тези атоми, съединението ще престане да бъде вода.
Молекулите се държат заедно, защото положителните и отрицателните части на атома (протони и електрони, съответно) се привличат един към друг. Те се наричат химически връзки. Всяка молекула има положителен и отрицателен край, като страните на батерията, които се свързват с други молекули, за да създадат конкретното вещество. В случай на вода положително заредените кислородни атоми се привличат към отрицателно заредения водороден атом, образувайки водородна връзка.
Съединенията са всяка комбинация от повече от един елемент, като водород и кислород (вода) или натрий и хлор (сол). Въпреки че има само 118 известни елемента, специфичната комбинация и последователност от атоми създава безкрайно много възможности. Например химичното съединение етанол, обикновено наричано алкохол, има химическа формула на C2H5OH. Въпреки че има шест водородни атома, крайният водород е свързан с кислородния атом. Всъщност връзката на въглеродния атом с хидроксилната (ОН) група отличава всяко органично съединение като алкохол, но не конкретно като етанол.
Въпреки че някои вещества могат да се състоят само от един елемент, количеството на този елемент също отличава различни вещества. Кислородът, от който се нуждаят хората и другите животни, е комбинацията от два кислородни атома (O2); обаче три кислородни атома (O3) създават веществото озон, което е съществена част от земната атмосфера, но може да бъде токсично за органичния живот.
