Sva materija u sebi je masivna kolekcija molekula. Molekule su spoj dvaju više atoma, koji su najosnovnija jedinica fizičke materije. Atomi dobivaju drugačiju težinu na temelju broja protona i neutrona u jezgri i elektrona u okolnom oblaku. Ista elektromagnetska sila koja drži jedan atom zajedno također može držati dva ili više atoma zajedno kako bi stvorila molekulu, dok se brojne molekule udružuju i tvore tvar.
Atomi, osnovni gradivni blokovi života, sastoje se od tri čestice: neutrona, protona i elektrona. Velika većina atomske mase nalazi se u jezgri, u središtu atoma, koja se sastoji od protona i neutrona, dok elektroni zamagljuju područje izvan jezgre. Protoni su pozitivno nabijeni, dok su elektroni negativno nabijeni, a neutroni neutralni. Atomska težina atoma određena je brojem protona i neutrona, dok je njegov atomski broj jednak samo količini prisutnih protona. Dok se elektroni mogu razlikovati, u slučaju iona kojima su elektroni izgubljeni ili stečeni, a neutroni se mogu ne biti prisutan, kao u atomima vodika koji nemaju neutrone, broj protona u atomu nikada promjene. Budući da se elektroni mogu dobiti ili izgubiti, a neutroni ne moraju biti uključeni, elementi se identificiraju atomskim brojem, jer se broj protona nikada ne mijenja. Periodni sustav elemenata grafikon je koji prikazuje sve poznate elemente koji postoje, djelomično poredan brojem. Prvi i najjednostavniji element, vodik, sa samo jednim protonom i jednim elektronom, je atomski broj jedan, dok su veći elementi, poput radija na broju 88, prikazani redoslijedom prema njihovom broju protoni.
Molekule su kombinacija jednog ili više atoma u određenu tvar. Možda su najpoznatije kombinacije voda (H2O), ugljični dioksid (CO2) i kisik (O2, točnije dioksigen). Kemijska formula molekule (kao što je H2O) pokazuje specifične atome u tvari kao i koliko se svakog elementa može pronaći. U slučaju vode (H2O) u svakoj molekuli vode nalaze se dva atoma vodika i jedan atom kisika. Ako bi molekula izgubila jedan od ovih atoma, spoj bi prestao biti voda.
Molekule se drže zajedno jer se pozitivni i negativni dijelovi atoma (protoni i elektroni) međusobno privlače. Oni se nazivaju kemijskim vezama. Svaka molekula ima pozitivan i negativan kraj, poput stranica baterije, koje se spajaju s drugim molekulama kako bi stvorile određenu tvar. U slučaju vode, pozitivno nabijeni atomi kisika privlače se negativno nabijenim atomom vodika, tvoreći vodikovu vezu.
Spojevi su bilo koja kombinacija više od jednog elementa, poput vodika i kisika (voda) ili natrija i klora (sol). Iako je poznato samo 118 elemenata, specifična kombinacija i slijed atoma stvara beskonačnu količinu mogućnosti. Na primjer, kemijski spoj etanol, koji se obično naziva alkoholom, ima kemijsku formulu C2H5OH. Iako je prisutno šest atoma vodika, konačni vodik vezan je za atom kisika. Zapravo je veza atoma ugljika s hidroksilnom (OH) skupinom ta koja razlikuje bilo koji organski spoj kao alkohol, ali ne posebno kao etanol.
Iako se neke tvari mogu sastojati od samo jednog elementa, količina tog elementa također razlikuje različite tvari. Kisik koji je potreban ljudima i drugim životinjama kombinacija je dvaju atoma kisika (O2); međutim, tri atoma kisika (O3) stvaraju tvar ozon, koji je važan dio Zemljine atmosfere, ali može biti toksičan za organski život.