כל החומר הוא אוסף מסיבי של מולקולות. מולקולות הן חיבור של שניים אטומים נוספים, שהם היחידה הבסיסית ביותר של חומר פיזי. לאטומים משקל שונה בהתבסס על מספר הפרוטונים והנויטרונים בגרעין ואלקטרונים בענן שמסביב. אותו כוח אלקטרומגנטי המחזיק אטום יחיד ביחד יכול גם להחזיק שניים אטומים או יותר יחד כדי ליצור מולקולה, בעוד מולקולות רבות מתחברות יחד ליצירת חומר.
אטומים, גושי הבניין הבסיסיים של החיים, מורכבים משלושה חלקיקים: נויטרונים, פרוטונים ואלקטרונים. הרוב המכריע של מסת האטום נמצא בגרעין, במרכז האטום, המורכב מפרוטונים ונויטרונים, בעוד אלקטרונים מעכירים את האזור שמחוץ לגרעין. פרוטונים טעונים באופן חיובי ואילו אלקטרונים טעונים שלילית והניטרונים הם ניטרליים. משקל האטום של אטום נקבע על ידי מספר הפרוטונים והניטרונים, בעוד שמספרו האטומי שווה לכמות הפרוטונים בלבד. אמנם אלקטרונים עשויים להיות שונים, אך במקרה של יונים אשר אלקטרונים אבדו או צברו, ונייטרונים עשויים להיות לא להיות נוכח, כמו באטומי מימן שאין בהם נויטרונים, מספר הפרוטונים באטום לעולם שינויים. מאחר ואלקטרונים עשויים לצבור או לאבד, וייתכן שלא נכללים נייטרונים, אלמנטים מזוהים על ידי מספר אטומי, מכיוון שמספר הפרוטונים לעולם אינו משתנה. הטבלה המחזורית של האלמנטים היא תרשים המציג את כל האלמנטים הידועים שקיימים, מסודרים חלקית לפי מספר. היסוד הראשון והפשוט ביותר, מימן, עם פרוטון אחד ואלקטרון אחד בלבד, הוא האטום מספר אחד, בעוד שאלמנטים גדולים יותר, כמו רדיום במספר 88, מוצגים לפי סדר מספרם פרוטונים.
מולקולות הן שילוב של אטום אחד או יותר לחומר ספציפי. אולי השילובים המוכרים ביותר הם מים (H2O), פחמן דו חמצני (CO2) וחמצן (O2, ליתר דיוק דו חמצן). הנוסחה הכימית של מולקולה (כגון H2O) מציגה את האטומים הספציפיים בחומר, כמו גם כמה מכל יסוד נמצא. במקרה של מים (H2O) ישנם שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד בכל מולקולת מים. אם המולקולה תאבד אחד האטומים הללו, התרכובת תפסיק להיות מים.
מולקולות מוחזקות יחד כי החלקים החיוביים והשליליים של האטום (פרוטונים ואלקטרונים, בהתאמה) נמשכים זה לזה. אלה נקראים קשרים כימיים. לכל מולקולה יש סוף חיובי ושלילי, כמו דפנות הסוללה, המצטרפות למולקולות אחרות כדי ליצור את החומר המסוים. במקרה של מים, אטומי החמצן הטעונים באופן חיובי נמשכים לאטום המימן הטעון שלילי ויוצרים קשר מימן.
תרכובות הן כל שילוב של יותר מרכיב אחד, כגון מימן וחמצן (מים) או נתרן וכלור (מלח). אמנם ישנם רק 118 אלמנטים ידועים, אך השילוב והרצף הספציפי של האטומים יוצרים כמות אינסופית של אפשרויות. לדוגמא, אתנול התרכובת הכימית, המכונה בדרך כלל אלכוהול, היא בעלת נוסחה כימית של C2H5OH. אמנם ישנם שישה אטומי מימן, אך המימן הסופי נקשר לאטום החמצן. זה למעשה הקשר של אטום פחמן לקבוצת ההידרוקסיל (OH) שמבדיל כל תרכובת אורגנית כאלכוהול אך לא ספציפית כאתנול.
למרות שחומרים מסוימים עשויים להיות מורכבים מרכיב אחד בלבד, כמות היסוד ההיא מבדילה גם חומרים שונים. החמצן שבני אדם ובעלי חיים אחרים זקוקים לו הוא שילוב של שני אטומי חמצן (O2); עם זאת, שלושה אטומי חמצן (O3) יוצרים את החומר אוזון, שהוא חלק חיוני באטמוספירה של כדור הארץ אך יכול להיות רעיל לחיים אורגניים.