Visa matērija ir milzīga molekulu kolekcija. Molekulas ir divu vairāku atomu apvienošanās, kas ir fizikālās matērijas pamatvienība. Atomiem piešķir atšķirīgu svaru, pamatojoties uz protonu un neitronu skaitu kodolā un elektroniem apkārtējā mākonī. Tas pats elektromagnētiskais spēks, kas satur vienu atomu kopā, var turēt divus vai vairākus atomus kopā, veidojot molekulu, savukārt daudzas molekulas savienojas kopā, veidojot matēriju.
Atomi, kas ir dzīves pamatelementi, sastāv no trim daļiņām: neitroniem, protoniem un elektroniem. Lielākā daļa atoma masas atrodas kodolā, atoma centrā, kas sastāv no protoniem un neitroniem, savukārt elektroni aizēno laukumu ārpus kodola. Protoni ir pozitīvi uzlādēti, kamēr elektroni ir negatīvi uzlādēti, un neitroni ir neitrāli. Atoma atomu svaru nosaka protonu un neitronu skaits, savukārt tā atomu skaits ir vienāds ar tikai esošo protonu daudzumu. Kaut arī elektroni var atšķirties, jonu gadījumā elektroni ir zaudēti vai iegūti, un neitroni var nedrīkst būt klāt, tāpat kā ūdeņraža atomos, kuriem nav neitronu, protonu skaits atomā nekad nav izmaiņas. Tā kā elektronus var iegūt vai zaudēt, un neitronus var neiekļaut, elementi tiek identificēti pēc atomu skaita, jo protonu skaits nekad nemainās. Periodiskā elementu tabula ir diagramma, kurā parādīti visi zināmie elementi, kas daļēji sakārtoti pēc skaita. Pirmais un vienkāršākais elements, ūdeņradis, kurā ir tikai viens protons un viens elektrons, ir atoms numur viens, savukārt lielāki elementi, piemēram, rādijs ar 88. numuru, tiek parādīti to skaita secībā protoni.
Molekulas ir viena vai vairāku atomu kombinācija noteiktā vielā. Varbūt vispazīstamākās kombinācijas ir ūdens (H2O), oglekļa dioksīds (CO2) un skābeklis (O2, precīzāk dioksigēns). Molekulas (piemēram, H2O) ķīmiskā formula parāda konkrētos vielas atomus, kā arī to, cik no katra elementa ir atrodams. Ūdens (H2O) gadījumā katrā ūdens molekulā ir divi ūdeņraža atomi un viens skābekļa atoms. Ja molekula zaudētu vienu no šiem atomiem, savienojums vairs nebūtu ūdens.
Molekulas tiek turētas kopā, jo atoma pozitīvās un negatīvās daļas (attiecīgi protoni un elektroni) ir savstarpēji piesaistītas. Tos sauc par ķīmiskajām saitēm. Katrai molekulai ir pozitīvs un negatīvs gals, piemēram, akumulatora sāni, kas savienojas ar citām molekulām, lai izveidotu konkrēto vielu. Ūdens gadījumā pozitīvi uzlādētos skābekļa atomus piesaista negatīvi lādēts ūdeņraža atoms, veidojot ūdeņraža saiti.
Savienojumi ir jebkura vairāk nekā viena elementa kombinācija, piemēram, ūdeņradis un skābeklis (ūdens) vai nātrijs un hlors (sāls). Kaut arī ir zināmi tikai 118 elementi, īpašā atomu kombinācija un secība rada bezgalīgi daudz iespēju. Piemēram, ķīmiskajam savienojumam etanolam, ko parasti dēvē par spirtu, ir ķīmiskā formula C2H5OH. Kamēr ir seši ūdeņraža atomi, galīgais ūdeņradis ir saistīts ar skābekļa atomu. Tas faktiski ir oglekļa atoma saikne ar hidroksilgrupu (OH), kas atšķir jebkuru organisko savienojumu kā spirtu, bet ne īpaši kā etanolu.
Kaut arī dažas vielas var sastāvēt tikai no viena elementa, šī elementa daudzums atšķir arī dažādas vielas. Skābeklis, kas nepieciešams cilvēkiem un citiem dzīvniekiem, ir divu skābekļa atomu (O2) kombinācija; tomēr trīs skābekļa atomi (O3) rada vielu ozonu, kas ir būtiska Zemes atmosfēras sastāvdaļa, bet var būt toksiska organiskajai dzīvībai.