Kogu aine on tohutu kogum molekule. Molekulid on veel kahe aatomi liitumine, mis on füüsilise aine põhiline üksus. Aatomitele antakse erinev kaal, lähtudes tuumas olevate prootonite ja neutronite arvust ning ümbritsevas pilves olevatest elektronidest. Sama elektromagnetiline jõud, mis hoiab ühte aatomit koos, võib molekuli moodustamiseks hoida ka kahte või enamat aatomit, samal ajal kui arvukad molekulid ühinevad aine moodustamiseks.
Aatomid, elu põhilised ehitusplokid, koosnevad kolmest osakesest: neutronitest, prootonitest ja elektronidest. Valdav enamus aatomi massist asub tuumas, aatoni keskel, mis koosneb prootonitest ja neutronitest, samal ajal kui elektronid hägustavad tuumavälist ala. Prootonid on positiivselt laetud, elektronid aga negatiivselt ja neutronid neutraalsed. Aatomi aatommass määratakse prootonite ja neutronite arvuga, samal ajal kui selle aatomnumber võrdub ainult olemasolevate prootonite kogusega. Kui elektronid võivad erineda, siis ioonide puhul, mille elektronid on kadunud või mida nad on saanud, ja neutronid võivad ei tohi olla, nagu vesinikuaatomites, millel pole neutrone, ei ole aatomis prootonite arv kunagi muudatused. Kuna elektrone võib saada või kaotada ja neutroneid ei pruugi olla, identifitseeritakse elemendid aatomnumbri järgi, kuna prootonite arv ei muutu kunagi. Elementide perioodiline tabel on diagramm, mis kuvab kõik teadaolevad elemendid, osaliselt järjestatud arvude järgi. Esimene ja kõige lihtsam element, vesinik, millel on ainult üks prooton ja üks elektron, on aatom number üks, samas kui suuremad elemendid, näiteks raadium numbril 88, kuvatakse nende arvu järjekorras prootonid.
Molekulid on ühe või mitme aatomi kombinatsioon konkreetseks aineks. Võib-olla on kõige tuntumad kombinatsioonid vesi (H2O), süsinikdioksiid (CO2) ja hapnik (O2, täpsemalt dioksiin). Molekuli (näiteks H2O) keemiline valem näitab nii aine spetsiifilisi aatomeid kui ka seda, kui palju iga elementi leidub. Vee (H2O) korral on igas vee molekulis kaks vesiniku aatomit ja üks hapniku aatom. Kui molekul kaotaks ühe neist aatomitest, lakkaks ühend olemast vesi.
Molekulid hoitakse koos, kuna aatomi positiivsed ja negatiivsed osad (vastavalt prootonid ja elektronid) on üksteise külge tõmmatud. Neid nimetatakse keemilisteks sidemeteks. Igal molekulil on positiivne ja negatiivne ots, nagu patarei külgedel, mis ühinevad teiste molekulidega konkreetse aine loomiseks. Vee korral meelitavad positiivselt laetud hapniku aatomid negatiivselt laetud vesiniku aatomit, moodustades vesiniksideme.
Ühendid on rohkem kui ühe elemendi mis tahes kombinatsioonid, näiteks vesinik ja hapnik (vesi) või naatrium ja kloor (sool). Kuigi teada on ainult 118 elementi, loob aatomite spetsiifiline kombinatsioon ja järjestus lõpmatu hulga võimalusi. Näiteks keemilisel ühendil etanoolil, mida tavaliselt nimetatakse alkoholiks, on keemiline valem C2H5OH. Kui vesinikuaatomeid on kuus, on lõplik vesinik seotud hapniku aatomiga. See on tegelikult süsinikuaatomi side hüdroksüül (OH) rühmaga, mis eristab kõiki orgaanilisi ühendeid alkoholina, kuid mitte konkreetselt etanoolina.
Kuigi mõned ained võivad koosneda ainult ühest elemendist, eristab selle elemendi kogus ka erinevaid aineid. Inimeste ja teiste loomade jaoks vajalik hapnik on kahe hapniku aatomi (O2) kombinatsioon; kolm hapnikuaatomit (O3) loovad aga aine osooni, mis on oluline osa Maa atmosfäärist, kuid võib olla orgaanilisele elule mürgine.