Minden anyag egy hatalmas molekulagyűjtemény. A molekulák további két atom egyesülése, amelyek a fizikai anyag legalapvetőbb egységei. Az atomok eltérő súlyt kapnak a magban lévő protonok és neutronok, valamint a környező felhőben lévő elektronok száma alapján. Ugyanaz az elektromágneses erő, amely egyetlen atomot együtt tart, két vagy több atomot is összetarthat egy molekulát alkotva, miközben számos molekula összefogva anyagot képez.
Az atomok, az élet alapvető építőelemei, három részecskéből állnak: neutronokból, protonokból és elektronokból. Az atom tömegének túlnyomó része a magban, az atom közepén található, protonokból és neutronokból áll, míg az elektronok a magon kívüli területet elhomályosítják. A protonok pozitív töltésűek, míg az elektronok negatív töltésűek és a neutronok semlegesek. Az atom atomtömegét a protonok és a neutronok száma határozza meg, míg az atomszáma csak a jelenlévő protonok mennyiségével egyenlő. Míg az elektronok eltérhetnek, az olyan ionok esetében, amelyeknél az elektronok elvesznek vagy megszerezhetők, és a neutronok eltérhetnek nem lehetnek jelen, mint például a neutron nélküli hidrogénatomokban, az atomokban lévő protonok száma soha változtatások. Mivel elektronok nyerhetők vagy veszhetnek el, és a neutronok nem lehetnek benne, az elemeket atomszám alapján azonosítják, mivel a protonok száma soha nem változik. Az elemek periódusos táblázata az összes létező ismert elemet ábrázolja, részben számok szerint rendezve. Az első és legegyszerűbb elem, a hidrogén, csak egy protonnal és egy elektronnal rendelkezik, az első számú atom, míg a nagyobb elemek, például a 88-as számú rádium a számuk sorrendjében jelennek meg protonok.
A molekulák egy vagy több atom kombinációja egy adott anyaggá. Talán a legismertebb kombinációk a víz (H2O), a szén-dioxid (CO2) és az oxigén (O2, pontosabban a dioxigen). Egy molekula (például H2O) kémiai képlete megmutatja az anyag specifikus atomjait, valamint azt, hogy hány elem található. A víz (H2O) esetében a víz minden molekulájában két hidrogénatom és egy oxigénatom található. Ha a molekula elveszítené ezen atomok egyikét, a vegyület megszűnne víznek lenni.
A molekulákat azért tartják össze, mert az atom pozitív és negatív részei (protonok, illetve elektronok) vonzódnak egymáshoz. Ezeket kémiai kötéseknek nevezzük. Mindegyik molekulának pozitív és negatív vége van, mint az akkumulátor oldala, amelyek más molekulákkal csatlakozva létrehozzák az adott anyagot. A víz esetében a pozitív töltésű oxigénatomok a negatív töltésű hidrogénatomhoz vonzódva hidrogénkötést képeznek.
A vegyületek egynél több elem bármely kombinációja, például hidrogén és oxigén (víz) vagy nátrium és klór (só). Míg csak 118 ismert elem létezik, az atomok specifikus kombinációja és szekvenciája végtelen sok lehetőséget kínál. Például az etanol kémiai vegyület, amelyet általában alkoholnak neveznek, kémiai képlete C2H5OH. Míg hat hidrogénatom van jelen, a végső hidrogén az oxigénatomhoz kapcsolódik. Valójában egy szénatom kötése a hidroxil (OH) csoporthoz megkülönbözteti a szerves vegyületeket alkoholként, de nem kifejezetten etanolként.
Bár egyes anyagok csak egy elemből állhatnak, ennek az elemnek a mennyisége különbözteti meg a különböző anyagokat is. Az emberi és más állatok számára szükséges oxigén két oxigénatom (O2) kombinációja; három oxigénatom (O3) azonban létrehozza az ózon anyagot, amely a Föld légkörének elengedhetetlen része, de mérgező lehet a szerves életre.