Semua materi di dalamnya adalah kumpulan molekul yang sangat besar. Molekul adalah penggabungan dua atom lebih, yang merupakan unit paling dasar dari materi fisik. Atom diberi bobot yang berbeda berdasarkan jumlah proton dan neutron dalam inti dan elektron di awan sekitarnya. Gaya elektromagnetik yang sama yang membuat satu atom tetap bersama juga dapat menahan dua atau lebih atom bersama untuk membentuk molekul, sementara banyak molekul bergabung bersama untuk membentuk materi.
Atom, blok bangunan dasar kehidupan, terdiri dari tiga partikel: neutron, proton, dan elektron. Sebagian besar massa atom ditemukan di nukleus, di pusat atom, yang terdiri dari proton dan neutron, sementara elektron menutupi area di luar nukleus. Proton bermuatan positif sedangkan elektron bermuatan negatif dan neutron bersifat netral. Berat atom suatu atom ditentukan oleh jumlah proton dan neutron, sedangkan nomor atomnya sama dengan hanya jumlah proton yang ada. Sementara elektron mungkin berbeda, dalam kasus ion, yang elektronnya hilang atau diperoleh, dan neutron mungkin tidak hadir, seperti pada atom hidrogen yang tidak memiliki neutron, jumlah proton dalam atom tidak pernah perubahan. Karena elektron dapat diperoleh atau hilang dan neutron tidak dapat dimasukkan, unsur-unsur diidentifikasi dengan nomor atom, karena jumlah proton tidak pernah berubah. Tabel periodik unsur adalah bagan yang menampilkan semua unsur yang diketahui keberadaannya, sebagian disusun berdasarkan angka. Unsur pertama dan paling sederhana, hidrogen, dengan hanya satu proton dan satu elektron, adalah nomor atom satu, sedangkan elemen yang lebih besar, seperti radium di nomor 88, ditampilkan dalam urutan jumlah proton.
Molekul adalah kombinasi dari satu atau lebih atom menjadi zat tertentu. Mungkin kombinasi yang paling terkenal adalah air (H2O), karbon dioksida (CO2) dan oksigen (O2, lebih tepatnya dioksigen). Rumus kimia suatu molekul (seperti H2O) menunjukkan atom spesifik dalam zat serta berapa banyak setiap elemen yang ditemukan. Dalam kasus air (H2O) ada dua atom hidrogen dan satu atom oksigen di setiap molekul air. Jika molekul kehilangan salah satu atom ini, senyawa tersebut akan berhenti menjadi air.
Molekul disatukan karena bagian positif dan negatif dari atom (proton dan elektron, masing-masing) tertarik satu sama lain. Ini disebut ikatan kimia. Setiap molekul memiliki ujung positif dan negatif, seperti sisi baterai, yang bergabung dengan molekul lain untuk menciptakan zat tertentu. Dalam kasus air, atom oksigen bermuatan positif tertarik ke atom hidrogen bermuatan negatif, membentuk ikatan hidrogen.
Senyawa adalah kombinasi lebih dari satu unsur, seperti hidrogen dan oksigen (air) atau natrium dan klorin (garam). Meskipun hanya ada 118 elemen yang diketahui, kombinasi spesifik dan urutan atom menciptakan kemungkinan yang tak terbatas. Misalnya, senyawa kimia etanol, yang biasa disebut alkohol, memiliki rumus kimia C2H5OH. Meskipun ada enam atom hidrogen yang ada, hidrogen terakhir terikat pada atom oksigen. Sebenarnya ikatan atom karbon ke gugus hidroksil (OH) yang membedakan senyawa organik apa pun sebagai alkohol tetapi tidak secara khusus sebagai etanol.
Meskipun beberapa zat mungkin hanya terdiri dari satu unsur, jumlah unsur itu juga membedakan zat yang berbeda. Oksigen yang dibutuhkan manusia dan hewan lain adalah kombinasi dari dua atom oksigen (O2); namun, tiga atom oksigen (O3) menciptakan zat ozon, yang merupakan bagian penting dari atmosfer bumi tetapi dapat menjadi racun bagi kehidupan organik.