Tutta la materia è un'enorme raccolta di molecole. Le molecole sono l'unione di due o più atomi, che sono l'unità più elementare della materia fisica. Agli atomi viene assegnato un peso diverso in base al numero di protoni e neutroni nel nucleo e di elettroni nella nuvola circostante. La stessa forza elettromagnetica che tiene insieme un singolo atomo può anche tenere insieme due o più atomi per formare una molecola, mentre numerose molecole si uniscono per formare la materia.
Gli atomi, i mattoni fondamentali della vita, sono costituiti da tre particelle: neutroni, protoni ed elettroni. La stragrande maggioranza della massa dell'atomo si trova nel nucleo, al centro dell'atomo, costituita da protoni e neutroni, mentre gli elettroni annebbiano l'area esterna al nucleo. I protoni sono caricati positivamente mentre gli elettroni sono caricati negativamente e i neutroni sono neutri. Il peso atomico di un atomo è determinato dal numero di protoni e neutroni, mentre il suo numero atomico è uguale solo alla quantità di protoni presenti. Mentre gli elettroni possono differire, nel caso degli ioni, che hanno elettroni persi o acquisiti, e i neutroni possono non essere presente, come negli atomi di idrogeno che non hanno neutroni, il numero di protoni in un atomo mai i cambiamenti. Poiché gli elettroni possono essere acquisiti o persi e i neutroni possono non essere inclusi, gli elementi sono identificati dal numero atomico, perché il numero di protoni non cambia mai. La tavola periodica degli elementi è un grafico che mostra tutti gli elementi noti per esistere, parzialmente organizzati per numero. Il primo e più semplice elemento, l'idrogeno, con un solo protone e un elettrone, è il numero atomico uno, mentre gli elementi più grandi, come il radio al numero 88, vengono visualizzati nell'ordine del loro numero di protoni.
Le molecole sono la combinazione di uno o più atomi in una sostanza specifica. Forse le combinazioni più note sono acqua (H2O), anidride carbonica (CO2) e ossigeno (O2, più precisamente diossigeno). La formula chimica di una molecola (come H2O) mostra gli atomi specifici nella sostanza e quanti di ciascun elemento si trovano. Nel caso dell'acqua (H2O) ci sono due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno in ogni molecola d'acqua. Se la molecola dovesse perdere uno di questi atomi, il composto cesserebbe di essere acqua.
Le molecole sono tenute insieme perché le parti positive e negative dell'atomo (protoni ed elettroni, rispettivamente) sono attratte l'una dall'altra. Questi sono chiamati legami chimici. Ogni molecola ha un'estremità positiva e una negativa, come i lati di una batteria, che si uniscono ad altre molecole per creare la particolare sostanza. Nel caso dell'acqua, gli atomi di ossigeno con carica positiva sono attratti dall'atomo di idrogeno con carica negativa, formando un legame idrogeno.
I composti sono qualsiasi combinazione di più di un elemento, come idrogeno e ossigeno (acqua) o sodio e cloro (sale). Mentre ci sono solo 118 elementi conosciuti, la specifica combinazione e sequenza di atomi crea una quantità infinita di possibilità. Ad esempio, il composto chimico etanolo, comunemente indicato come alcol, ha una formula chimica di C2H5OH. Mentre sono presenti sei atomi di idrogeno, l'idrogeno finale è legato all'atomo di ossigeno. In realtà è il legame di un atomo di carbonio al gruppo idrossile (OH) che distingue qualsiasi composto organico come alcol ma non specificamente come etanolo.
Sebbene alcune sostanze possano essere costituite da un solo elemento, la quantità di tale elemento distingue anche sostanze diverse. L'ossigeno che l'uomo e gli altri animali richiedono è la combinazione di due atomi di ossigeno (O2); tuttavia, tre atomi di ossigeno (O3) creano la sostanza ozono, che è una parte essenziale dell'atmosfera terrestre ma può essere tossica per la vita organica.