Visa materija yra didžiulė molekulių kolekcija. Molekulės yra dar dviejų atomų, kurie yra pats pagrindinis fizinės materijos vienetas, jungimasis. Atomams suteikiamas skirtingas svoris, atsižvelgiant į protonų ir neutronų skaičių branduolyje ir elektronus aplinkiniame debesyje. Ta pati elektromagnetinė jėga, kuri išlaiko vieną atomą kartu, taip pat gali laikyti du ar daugiau atomų, kad sudarytų molekulę, o daugybė molekulių susijungia ir sudaro medžiagą.
Atomus, pagrindinius gyvenimo blokus, sudaro trys dalelės: neutronai, protonai ir elektronai. Didžioji atomo masės dalis yra branduolyje, atomo centre, susidedančiame iš protonų ir neutronų, tuo tarpu elektronai apgaubia plotą už branduolio ribų. Protonai yra teigiamai įkrauti, o elektronai - neigiamai, o neutronai yra neutralūs. Atomo atominę masę lemia protonų ir neutronų skaičius, o jo atominis skaičius yra lygus tik esančių protonų kiekiui. Nors elektronai gali skirtis, jonų atveju elektronai prarandami ar įgyjami, o neutronai gali negali būti, kaip vandenilio atomuose, neturinčiuose neutronų, protonų skaičius atome niekada nėra pokyčiai. Kadangi elektronai gali būti gaunami arba prarandami, o neutronai gali būti neįtraukti, elementai identifikuojami pagal atominį skaičių, nes protonų skaičius niekada nesikeičia. Periodinė elementų lentelė yra diagrama, rodanti visus žinomus egzistuojančius elementus, dalinai išdėstytus pagal skaičių. Pirmasis ir paprasčiausias elementas - vandenilis, turintis tik vieną protoną ir vieną elektroną - yra atominis numeris vienas, o didesni elementai, pvz., radis 88 numeriu, rodomi jų skaičiaus tvarka protonai.
Molekulės yra vieno ar kelių atomų derinys į konkrečią medžiagą. Bene žinomiausi deriniai yra vanduo (H2O), anglies dioksidas (CO2) ir deguonis (O2, tiksliau dioksidas). Cheminė molekulės formulė (pvz., H2O) parodo konkrečius medžiagos atomus ir tai, kiek yra kiekvieno elemento. Vandens (H2O) atveju kiekvienoje vandens molekulėje yra du vandenilio atomai ir vienas deguonies atomas. Jei molekulė prarastų vieną iš šių atomų, junginys nustotų būti vanduo.
Molekulės laikomos kartu, nes teigiama ir neigiama atomo dalys (atitinkamai protonai ir elektronai) traukia viena kitą. Tai vadinama cheminėmis jungtimis. Kiekviena molekulė turi teigiamą ir neigiamą galą, kaip ir akumuliatoriaus šonai, kurie susijungia su kitomis molekulėmis ir sukuria konkrečią medžiagą. Vandens atveju teigiamai įkrautus deguonies atomus pritraukia neigiamai įkrautas vandenilio atomas, formuodamas vandenilio jungtį.
Junginiai yra bet koks daugiau nei vieno elemento derinys, toks kaip vandenilis ir deguonis (vanduo) arba natris ir chloras (druska). Nors yra tik 118 žinomų elementų, specifinė atomų kombinacija ir seka sukuria begalę galimybių. Pavyzdžiui, cheminis junginys etanolis, paprastai vadinamas alkoholiu, turi cheminę formulę C2H5OH. Nors yra šeši vandenilio atomai, galutinis vandenilis yra sujungtas su deguonies atomu. Iš tikrųjų anglies atomo ryšys su hidroksilo (OH) grupe išskiria bet kokį organinį junginį kaip alkoholį, bet ne konkrečiai kaip etanolį.
Nors kai kurias medžiagas gali sudaryti tik vienas elementas, to elemento kiekis taip pat išskiria skirtingas medžiagas. Deguonis, kurio reikia žmonėms ir kitiems gyvūnams, yra dviejų deguonies atomų (O2) derinys; tačiau trys deguonies atomai (O3) sukuria ozono medžiagą, kuri yra būtina Žemės atmosferos dalis, tačiau gali būti toksiška organinei gyvybei.