Alt stof i er en massiv samling af molekyler. Molekyler er en sammenføjning af to af flere atomer, som er den mest basale enhed af fysisk materie. Atomer får en anden vægt baseret på antallet af protoner og neutroner i kernen og elektroner i den omgivende sky. Den samme elektromagnetiske kraft, der holder et enkelt atom sammen, kan også holde to eller flere atomer sammen for at danne et molekyle, mens adskillige molekyler sammenføjes for at danne stof.
Atomer, de grundlæggende bygningsblokke i livet, består af tre partikler: neutroner, protoner og elektroner. Langt størstedelen af atommassen findes i kernen i centrum af atomet, der består af protoner og neutroner, mens elektroner skyer området uden for kernen. Protoner er positivt ladede, mens elektroner er negativt ladede, og neutroner er neutrale. Et atoms atomvægt bestemmes af antallet af protoner og neutroner, mens dets atomnummer kun er lig med mængden af tilstedeværende protoner. Mens elektroner kan variere, i tilfælde af ioner, der har mistet eller fået elektroner, og neutroner måske ikke være til stede, som i hydrogenatomer, der ikke har nogen neutroner, antallet af protoner i et atom aldrig ændringer. Da elektroner kan vindes eller mistes, og neutroner muligvis ikke medtages, identificeres grundstoffer ved atomnummer, fordi antallet af protoner aldrig ændres. Det periodiske system med elementer er et diagram, der viser alle kendte elementer, der eksisterer, delvist arrangeret efter antal. Det første og enkleste element, hydrogen, med kun en proton og en elektron, er atomnummer et, mens større elementer, såsom radium ved nummer 88, vises i rækkefølgen af deres antal protoner.
Molekyler er kombinationen af et eller flere atomer til et specifikt stof. Måske er de mest kendte kombinationer vand (H2O), kuldioxid (CO2) og ilt (O2, mere præcist dioxygen). Den kemiske formel for et molekyle (såsom H2O) viser de specifikke atomer i stoffet såvel som hvor mange af hvert element der findes. I tilfælde af vand (H2O) er der to hydrogenatomer og et iltatom i hvert vandmolekyle. Hvis molekylet skulle miste et af disse atomer, ville forbindelsen ophøre med at være vand.
Molekyler holdes sammen, fordi de positive og negative dele af atomet (henholdsvis protoner og elektroner) tiltrækkes af hinanden. Disse kaldes kemiske bindinger. Hvert molekyle har en positiv og negativ ende, ligesom siderne på et batteri, der forbinder med andre molekyler for at skabe det bestemte stof. I tilfælde af vand tiltrækkes de positivt ladede iltatomer til det negativt ladede hydrogenatom og danner en hydrogenbinding.
Forbindelser er en hvilken som helst kombination af mere end et element, såsom brint og ilt (vand) eller natrium og chlor (salt). Mens der kun er 118 kendte elementer, skaber den specifikke kombination og atomsekvens en uendelig mængde muligheder. For eksempel har den kemiske forbindelse ethanol, almindeligvis benævnt alkohol, en kemisk formel C2H5OH. Mens der er seks brintatomer til stede, er det endelige brint bundet til oxygenatomet. Det er faktisk bindingen af et carbonatom til hydroxyl (OH) -gruppen, der adskiller enhver organisk forbindelse som alkohol, men ikke specifikt som ethanol.
Selvom nogle stoffer kun kan bestå af et element, skelner mængden af dette element også forskellige stoffer. Det ilt, som mennesker og andre dyr har brug for, er kombinationen af to iltatomer (O2); tre iltatomer (O3) skaber imidlertid stoffet ozon, som er en væsentlig del af jordens atmosfære, men kan være giftig for organisk liv.