Alle materie is een enorme verzameling moleculen. Moleculen zijn een samenvoeging van twee of meer atomen, de meest elementaire eenheid van fysieke materie. Atomen krijgen een ander gewicht op basis van het aantal protonen en neutronen in de kern en elektronen in de omringende wolk. Dezelfde elektromagnetische kracht die een enkel atoom bij elkaar houdt, kan ook twee of meer atomen bij elkaar houden om een molecuul te vormen, terwijl talloze moleculen samenkomen om materie te vormen.
Atomen, de bouwstenen van het leven, bestaan uit drie deeltjes: neutronen, protonen en elektronen. Het overgrote deel van de massa van het atoom bevindt zich in de kern, in het centrum van het atoom, bestaande uit protonen en neutronen, terwijl elektronen het gebied buiten de kern vertroebelen. Protonen zijn positief geladen, elektronen zijn negatief geladen en neutronen zijn neutraal. Het atoomgewicht van een atoom wordt bepaald door het aantal protonen en neutronen, terwijl het atoomnummer alleen gelijk is aan het aantal aanwezige protonen. Hoewel elektronen kunnen verschillen, kunnen in het geval van ionen, die elektronen hebben verloren of gewonnen, en neutronen niet aanwezig zijn, zoals in waterstofatomen die geen neutronen hebben, het aantal protonen in een atoom nooit veranderingen. Omdat elektronen kunnen worden gewonnen of verloren en neutronen mogelijk niet worden opgenomen, worden elementen geïdentificeerd door atoomnummer, omdat het aantal protonen nooit verandert. Het periodiek systeem der elementen is een grafiek die alle bekende elementen weergeeft, gedeeltelijk gerangschikt op nummer. Het eerste en eenvoudigste element, waterstof, met slechts één proton en één elektron, is atoomnummer één, terwijl grotere elementen, zoals radium op nummer 88, worden weergegeven in de volgorde van hun aantal protonen.
Moleculen zijn de combinatie van een of meer atomen tot een specifieke stof. Misschien wel de bekendste combinaties zijn water (H2O), koolstofdioxide (CO2) en zuurstof (O2, beter gezegd dizuurstof). De chemische formule van een molecuul (zoals H2O) toont de specifieke atomen in de stof en hoeveel van elk element er wordt gevonden. In het geval van water (H2O) zijn er twee waterstofatomen en één zuurstofatoom in elk molecuul water. Als het molecuul een van deze atomen zou verliezen, zou de verbinding ophouden water te zijn.
Moleculen worden bij elkaar gehouden omdat de positieve en negatieve delen van het atoom (respectievelijk protonen en elektronen) door elkaar worden aangetrokken. Dit worden chemische bindingen genoemd. Elk molecuul heeft een positief en negatief uiteinde, zoals de zijkanten van een batterij, die samenkomen met andere moleculen om de specifieke substantie te creëren. In het geval van water worden de positief geladen zuurstofatomen aangetrokken door het negatief geladen waterstofatoom, waardoor een waterstofbrug wordt gevormd.
Verbindingen zijn elke combinatie van meer dan één element, zoals waterstof en zuurstof (water) of natrium en chloor (zout). Hoewel er slechts 118 bekende elementen zijn, creëert de specifieke combinatie en volgorde van atomen een oneindig aantal mogelijkheden. De chemische verbinding ethanol, gewoonlijk alcohol genoemd, heeft bijvoorbeeld de chemische formule C2H5OH. Hoewel er zes waterstofatomen aanwezig zijn, is de uiteindelijke waterstof gebonden aan het zuurstofatoom. Het is eigenlijk de binding van een koolstofatoom aan de hydroxyl (OH) groep die elke organische verbinding onderscheidt als alcohol, maar niet specifiek als ethanol.
Hoewel sommige stoffen uit slechts één element kunnen bestaan, onderscheidt de hoeveelheid van dat element ook verschillende stoffen. De zuurstof die mensen en andere dieren nodig hebben, is de combinatie van twee zuurstofatomen (O2); drie zuurstofatomen (O3) creëren echter de stof ozon, een essentieel onderdeel van de atmosfeer van de aarde, maar kan giftig zijn voor organisch leven.