Όλη η ύλη είναι μια τεράστια συλλογή μορίων. Τα μόρια είναι μια ένωση δύο από περισσότερα άτομα, τα οποία είναι η πιο βασική μονάδα της φυσικής ύλης. Στα άτομα δίνεται διαφορετικό βάρος με βάση τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια στο περιβάλλον σύννεφο. Η ίδια ηλεκτρομαγνητική δύναμη που κρατά ένα μόνο άτομο μαζί μπορεί επίσης να συγκρατήσει δύο ή περισσότερα άτομα μαζί για να σχηματίσουν ένα μόριο, ενώ πολλά μόρια ενώνονται για να σχηματίσουν την ύλη.
Τα άτομα, τα βασικά δομικά στοιχεία της ζωής, αποτελούνται από τρία σωματίδια: νετρόνια, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Η συντριπτική πλειονότητα της μάζας του ατόμου βρίσκεται στον πυρήνα, στο κέντρο του ατόμου, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, ενώ τα ηλεκτρόνια καλύπτουν την περιοχή έξω από τον πυρήνα. Τα πρωτόνια φορτίζονται θετικά ενώ τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα και τα νετρόνια είναι ουδέτερα. Το ατομικό βάρος ενός ατόμου καθορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων, ενώ ο ατομικός του αριθμός είναι ίσος με μόνο την ποσότητα των πρωτονίων που υπάρχουν. Ενώ τα ηλεκτρόνια μπορεί να διαφέρουν, στην περίπτωση των ιόντων, τα οποία έχουν χάσει ή αποκτήσει ηλεκτρόνια, και τα νετρόνια μπορεί να μην είναι παρόντα, όπως σε άτομα υδρογόνου που δεν έχουν νετρόνια, ο αριθμός των πρωτονίων σε ένα άτομο ποτέ αλλαγές. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να αποκτηθούν ή να χαθούν και τα νετρόνια να μην περιληφθούν, τα στοιχεία αναγνωρίζονται από τον ατομικό αριθμό, επειδή ο αριθμός των πρωτονίων δεν αλλάζει ποτέ. Ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων είναι ένα διάγραμμα που εμφανίζει όλα τα γνωστά στοιχεία που υπάρχουν, μερικώς ταξινομημένα κατά αριθμό. Το πρώτο και απλούστερο στοιχείο, το υδρογόνο, με μόνο ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, είναι το ατομικό νούμερο ένα, ενώ μεγαλύτερα στοιχεία, όπως το ράδιο στον αριθμό 88, εμφανίζονται με τη σειρά του αριθμού τους πρωτόνια.
Τα μόρια είναι ο συνδυασμός ενός ή περισσοτέρων ατόμων σε μια συγκεκριμένη ουσία. Ίσως οι πιο γνωστοί συνδυασμοί είναι το νερό (H2O), το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και το οξυγόνο (O2, ακριβέστερα διοξυγόνο). Ο χημικός τύπος ενός μορίου (όπως το H2O) δείχνει τα συγκεκριμένα άτομα στην ουσία καθώς και πόσα από κάθε στοιχείο βρίσκεται. Στην περίπτωση του νερού (H2O) υπάρχουν δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου σε κάθε μόριο νερού. Εάν το μόριο έχασε ένα από αυτά τα άτομα, η ένωση θα έπαυε να είναι νερό.
Τα μόρια συγκρατούνται μαζί επειδή τα θετικά και αρνητικά μέρη του ατόμου (πρωτόνια και ηλεκτρόνια, αντίστοιχα) έλκονται μεταξύ τους. Αυτά ονομάζονται χημικοί δεσμοί. Κάθε μόριο έχει θετικό και αρνητικό άκρο, όπως οι πλευρές μιας μπαταρίας, που ενώνονται με άλλα μόρια για να δημιουργήσουν τη συγκεκριμένη ουσία. Στην περίπτωση του νερού, τα θετικά φορτισμένα άτομα οξυγόνου προσελκύονται στο αρνητικά φορτισμένο άτομο υδρογόνου, σχηματίζοντας έναν δεσμό υδρογόνου.
Οι ενώσεις είναι οποιοσδήποτε συνδυασμός περισσότερων από ενός στοιχείων, όπως υδρογόνου και οξυγόνου (νερό) ή νατρίου και χλωρίου (άλας). Ενώ υπάρχουν μόνο 118 γνωστά στοιχεία, ο συγκεκριμένος συνδυασμός και ακολουθία ατόμων δημιουργεί μια απεριόριστη δυνατότητα. Για παράδειγμα, η χημική ένωση αιθανόλη, που συνήθως αναφέρεται ως αλκοόλη, έχει χημικό τύπο C2H5OH. Ενώ υπάρχουν έξι άτομα υδρογόνου, το τελικό υδρογόνο συνδέεται με το άτομο οξυγόνου. Είναι στην πραγματικότητα ο δεσμός ενός ατόμου άνθρακα με την ομάδα υδροξυλίου (ΟΗ) που διακρίνει οποιαδήποτε οργανική ένωση ως αλκοόλη αλλά όχι συγκεκριμένα ως αιθανόλη.
Αν και ορισμένες ουσίες μπορεί να αποτελούνται από ένα μόνο στοιχείο, η ποσότητα αυτού του στοιχείου διακρίνει επίσης διαφορετικές ουσίες. Το οξυγόνο που χρειάζονται οι άνθρωποι και άλλα ζώα είναι ο συνδυασμός δύο ατόμων οξυγόνου (O2). Ωστόσο, τρία άτομα οξυγόνου (O3) δημιουργούν την ουσία του όζοντος, το οποίο είναι ουσιαστικό μέρος της ατμόσφαιρας της Γης αλλά μπορεί να είναι τοξικό για τη βιολογική ζωή.
