Kaikki aine on valtava kokoelma molekyylejä. Molekyylit ovat kahden muun atomin yhdistyminen, jotka ovat fyysisen aineen perusyksikkö. Atomeille annetaan erilainen paino perustuen ytimen protonien ja neutronien määrään ja ympäröivässä pilvessä oleviin elektroneihin. Sama sähkömagneettinen voima, joka pitää yhden atomin yhdessä, voi myös pitää kaksi tai useampaa atomia yhdessä muodostaen molekyylin, kun taas lukuisat molekyylit yhdistyvät muodostaen ainetta.
Atomit, elämän peruselementit, koostuvat kolmesta hiukkasesta: neutronista, protonista ja elektronista. Valtaosa atomin massasta löytyy ytimestä, atomin keskiosasta, joka koostuu protoneista ja neutronista, kun taas elektronit samentavat ytimen ulkopuolisen alueen. Protonit ovat positiivisesti varautuneita, kun taas elektronit ovat negatiivisesti varautuneita ja neutronit ovat neutraaleja. Atomin atomipaino määräytyy protonien ja neutronien lukumäärän mukaan, kun taas sen atomiluku on yhtä suuri kuin vain läsnä olevien protonien määrä. Vaikka elektronit voivat vaihdella, ionien tapauksessa, joiden elektronit ovat kadonneet tai lisääntyneet, ja neutronit voivat olla läsnä, kuten vetyatomissa, jossa ei ole neutroneja, atomien protonien lukumäärä ei koskaan muutoksia. Koska elektroneja voidaan hankkia tai kadota ja neutroneja ei välttämättä sisälly, elementit tunnistetaan atomiluvulla, koska protonien lukumäärä ei koskaan muutu. Elementtien jaksollinen taulukko on kaavio, joka näyttää kaikki olemassa olevat elementit osittain numerojärjestyksessä. Ensimmäinen ja yksinkertaisin alkuaine, vety, jossa on vain yksi protoni ja yksi elektroni, on atomi numero yksi, kun taas suuremmat elementit, kuten radium numerolla 88, näytetään niiden lukumäärän mukaisessa järjestyksessä protonit.
Molekyylit ovat yhden tai useamman atomin yhdistelmä tietyksi aineeksi. Ehkä tunnetuimmat yhdistelmät ovat vesi (H2O), hiilidioksidi (CO2) ja happi (O2, tarkemmin sanottuna diokseni). Molekyylin (kuten H20) kemiallinen kaava näyttää aineen spesifiset atomit sekä kuinka monta kutakin alkuaineesta löytyy. Veden (H2O) tapauksessa jokaisessa vesimolekyylissä on kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi. Jos molekyyli menettäisi yhden näistä atomeista, yhdiste lakkaisi olemasta vesi.
Molekyylit pidetään yhdessä, koska atomin positiiviset ja negatiiviset osat (vastaavasti protonit ja elektronit) vetävät puoleensa. Näitä kutsutaan kemiallisiksi sidoksiksi. Jokaisella molekyylillä on positiivinen ja negatiivinen pää, kuten pariston sivut, jotka yhdistyvät muiden molekyylien kanssa tietyn aineen luomiseksi. Veden tapauksessa positiivisesti varautuneet happiatomit houkuttelevat negatiivisesti varautunutta vetyatomia muodostaen vetysidoksen.
Yhdisteet ovat mikä tahansa useamman kuin yhden alkuaineen yhdistelmä, kuten vety ja happi (vesi) tai natrium ja kloori (suola). Vaikka tunnettuja elementtejä on vain 118, tietty atomien yhdistelmä ja sekvenssi luo loputtomasti mahdollisuuksia. Esimerkiksi etanolin kemiallisella yhdisteellä, jota yleisesti kutsutaan alkoholiksi, on kemiallinen kaava C2H5OH. Vaikka läsnä on kuusi vetyatomia, lopullinen vety sitoutuu happiatomiin. Se on itse asiassa hiiliatomin sitoutuminen hydroksyyli (OH) -ryhmään, joka erottaa kaikki orgaaniset yhdisteet alkoholina, mutta ei erityisesti etanolina.
Vaikka jotkut aineet voivat koostua vain yhdestä alkuaineesta, myös kyseisen aineen määrä erottaa eri aineet. Happi, jota ihmiset ja muut eläimet tarvitsevat, on kahden happiatomin (O2) yhdistelmä; Kolme happiatomia (O3) kuitenkin luo otsonia, joka on olennainen osa maapallon ilmakehää, mutta voi olla myrkyllistä orgaaniselle elämälle.