De tre grundstoffer, der udgør over 99 procent af organiske molekyler, er kulstof, brint og ilt. Disse tre kombineres for at danne næsten alle kemiske strukturer, der er nødvendige for livet, inklusive kulhydrater, lipider og proteiner. Derudover danner nitrogen, når det er parret med disse elementer, også et afgørende organisk molekyle i form af nukleinsyrer.
Kulstof
Kulstof er det mest essentielle af elementerne i dannelsen af organiske molekyler; liv på jorden er faktisk blevet omtalt som "kulstofbaseret" på grund af forekomsten af kulstof ved dannelse af essentielle forbindelser til organismer. Kulstof er så udbredt i organiske forbindelser på grund af dets evne til at danne op til seks stabile bindinger med andre atomer; som et resultat er kulstof ofte midt i et molekyle med flere forskellige atomer, og det er denne mangfoldighed, der gør det muligt for livet at blomstre. Kulstof udgør ca. 10 procent af den menneskelige krop.
Brint
Brint er det mest almindelige atom i universet og er også det mest almindelige element i organiske molekyler. På grund af sin entydige elektronkarakter forekommer hydrogenatomer i store mængder i flere organiske molekyler, der ofte fungerer som et bindingspunkt mellem det centrale carbonatom og andre atomer. Derudover danner brint en stærk binding med kulstof, hvilket giver mere stabilitet til et organisk molekyle end et gennemsnitligt molekyle. Oxygen udgør cirka 63 procent af menneskekroppen.
Ilt
Ilt er afgørende element i organiske molekyler, fordi det, ligesom kulstof, kan indeholde flere forskellige bindinger (dog ikke med den samme styrke på kulstof, det er således normalt ikke midt i et organisk molekyle) og vigtigst af alt tilføjer det nok variation til at danne en næsten uendelig mængde molekyler. Kulstof, brint og ilt kombineres for at danne proteiner, kulhydrater (som er en kombination af kulstof med vand) og lipider, som alle er livsvigtige forbindelser. Ilt udgør ca. 26 procent af menneskekroppen.
Kvælstof
Selvom det ikke er nær så udbredt som kulstof, brint og ilt, viser nitrogen sig i en ekstremt vigtig type organisk molekyle kaldet en nukleinsyre. De to typer nukleinsyrer, der findes i celler, er DNA og RNA, som udgør den genetiske tegning af cellen og indeholder al den kodificerede information, der er nødvendig for at cellen skal fungere og reproducere. Kvælstof udgør ca. 1 procent af menneskekroppen.