Cała materia w środku to ogromny zbiór cząsteczek. Cząsteczki to połączenie dwóch lub więcej atomów, które są najbardziej podstawową jednostką materii fizycznej. Atomom przypisuje się inną wagę w zależności od liczby protonów i neutronów w jądrze oraz elektronów w otaczającej chmurze. Ta sama siła elektromagnetyczna, która utrzymuje jeden atom razem, może również trzymać dwa lub więcej atomów razem, tworząc cząsteczkę, podczas gdy wiele cząsteczek łączy się, tworząc materię.
Atomy, podstawowe elementy budulcowe życia, składają się z trzech cząstek: neutronów, protonów i elektronów. Zdecydowana większość masy atomu znajduje się w jądrze, w centrum atomu, składającym się z protonów i neutronów, podczas gdy elektrony zaciemniają obszar poza jądrem. Protony są naładowane dodatnio, elektrony są naładowane ujemnie, a neutrony są obojętne. Masa atomowa atomu jest określona przez liczbę protonów i neutronów, podczas gdy jego liczba atomowa jest równa tylko ilości obecnych protonów. Podczas gdy elektrony mogą się różnić, w przypadku jonów, które utraciły lub zyskały elektrony, a neutrony mogą nie być obecny, jak w atomach wodoru, które nie mają neutronów, liczba protonów w atomie nigdy zmiany. Ponieważ elektrony mogą być zyskiwane lub tracone, a neutrony nie mogą być uwzględniane, pierwiastki identyfikuje się na podstawie liczby atomowej, ponieważ liczba protonów nigdy się nie zmienia. Układ okresowy pierwiastków to wykres przedstawiający wszystkie znane pierwiastki, które istnieją, częściowo uporządkowane według numerów. Pierwszy i najprostszy pierwiastek, wodór, mający tylko jeden proton i jeden elektron, ma numer jeden atomowy, podczas gdy większe pierwiastki, takie jak rad pod numerem 88, są wyświetlane w kolejności ich liczby protony.
Cząsteczki to połączenie jednego lub więcej atomów w określoną substancję. Być może najbardziej znanymi kombinacjami są woda (H2O), dwutlenek węgla (CO2) i tlen (O2, dokładniej tlen). Wzór chemiczny cząsteczki (takiej jak H2O) pokazuje konkretne atomy w substancji, a także liczbę znalezionych elementów. W przypadku wody (H2O) w każdej cząsteczce wody znajdują się dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Gdyby cząsteczka straciła jeden z tych atomów, związek przestałby być wodą.
Cząsteczki są utrzymywane razem, ponieważ dodatnie i ujemne części atomu (odpowiednio protony i elektrony) są do siebie przyciągane. Są to tak zwane wiązania chemiczne. Każda cząsteczka ma dodatni i ujemny koniec, jak boki baterii, które łączą się z innymi cząsteczkami, tworząc daną substancję. W przypadku wody dodatnio naładowane atomy tlenu są przyciągane do ujemnie naładowanego atomu wodoru, tworząc wiązanie wodorowe.
Związki to dowolna kombinacja więcej niż jednego pierwiastka, taka jak wodór i tlen (woda) lub sód i chlor (sól). Chociaż znanych jest tylko 118 pierwiastków, specyficzna kombinacja i kolejność atomów stwarza nieskończoną ilość możliwości. Na przykład związek chemiczny etanol, powszechnie określany jako alkohol, ma wzór chemiczny C2H5OH. Chociaż obecnych jest sześć atomów wodoru, końcowy wodór jest związany z atomem tlenu. W rzeczywistości to wiązanie atomu węgla z grupą hydroksylową (OH) odróżnia każdy związek organiczny jako alkohol, ale nie konkretnie jako etanol.
Chociaż niektóre substancje mogą składać się tylko z jednego pierwiastka, ilość tego pierwiastka również odróżnia różne substancje. Tlen, którego potrzebują ludzie i inne zwierzęta, to połączenie dwóch atomów tlenu (O2); jednak trzy atomy tlenu (O3) tworzą ozon, który jest istotną częścią ziemskiej atmosfery, ale może być toksyczny dla życia organicznego.