Celá hmota je obrovská zbierka molekúl. Molekuly sú spojením dvoch alebo viacerých atómov, ktoré sú najzákladnejšou jednotkou fyzickej hmoty. Atómom sa prisudzuje iná váha na základe počtu protónov a neutrónov v jadre a elektrónov v okolitom oblaku. Rovnaká elektromagnetická sila, ktorá udržuje jeden atóm pohromade, môže tiež držať dva alebo viac atómov pohromade a vytvoriť tak molekulu, zatiaľ čo početné molekuly sa spoja a vytvoria hmotu.
Atómy, základné stavebné bloky života, pozostávajú z troch častíc: neutrónov, protónov a elektrónov. Drvivá väčšina hmotnosti atómu sa nachádza v jadre, v strede atómu, pozostávajúceho z protónov a neutrónov, zatiaľ čo elektróny zakrývajú oblasť mimo jadra. Protóny sú pozitívne nabité, zatiaľ čo elektróny sú negatívne nabité a neutróny sú neutrálne. Atómová hmotnosť atómu je určená počtom protónov a neutrónov, zatiaľ čo jeho atómové číslo sa rovná iba množstvu prítomných protónov. Zatiaľ čo elektróny sa môžu líšiť, v prípade iónov, ktoré majú stratené alebo získané elektróny, a neutróny sa môžu líšiť nemusí byť prítomný, ako v prípade atómov vodíka, ktoré neobsahujú neutróny, počet protónov v atóme nikdy zmeny. Pretože elektróny môžu byť získavané alebo stratené a neutróny nemusia byť zahrnuté, prvky sú identifikované podľa atómového čísla, pretože počet protónov sa nikdy nemení. Periodická tabuľka prvkov je graf zobrazujúci všetky známe prvky, ktoré existujú, čiastočne usporiadané podľa počtu. Prvý a najjednoduchší prvok, vodík, s iba jedným protónom a jedným elektrónom, je atómové číslo jedna, zatiaľ čo väčšie prvky, napríklad rádium na čísle 88, sa zobrazujú v poradí podľa počtu protóny.
Molekuly sú kombináciou jedného alebo viacerých atómov v konkrétnej látke. Azda najznámejšie kombinácie sú voda (H2O), oxid uhličitý (CO2) a kyslík (O2, presnejšie dioxygén). Chemický vzorec molekuly (napríklad H2O) ukazuje konkrétne atómy v látke a tiež počet jednotlivých prvkov. V prípade vody (H2O) sú v každej molekule vody dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka. Ak by molekula stratila jeden z týchto atómov, zlúčenina by prestala byť vodou.
Molekuly sú držané pohromade, pretože kladné a záporné časti atómu (protóny a elektróny) sú navzájom priťahované. Hovorí sa im chemické väzby. Každá molekula má pozitívny a negatívny koniec, napríklad bočné strany batérie, ktoré sa spájajú s inými molekulami a vytvárajú tak konkrétnu látku. V prípade vody sú kladne nabité atómy kyslíka priťahované k záporne nabitému atómu vodíka a vytvárajú vodíkovú väzbu.
Zlúčeniny sú akékoľvek kombinácie viac ako jedného prvku, ako je vodík a kyslík (voda) alebo sodík a chlór (soľ). Aj keď je známych iba 118 prvkov, špecifická kombinácia a postupnosť atómov vytvára nekonečné množstvo možností. Napríklad chemická zlúčenina etanol, ktorá sa bežne označuje ako alkohol, má chemický vzorec C2H5OH. Aj keď je prítomných šesť atómov vodíka, konečný vodík je naviazaný na atóm kyslíka. Je to vlastne väzba atómu uhlíka na hydroxylovú (OH) skupinu, ktorá odlišuje každú organickú zlúčeninu od alkoholu, ale nie konkrétne od etanolu.
Aj keď niektoré látky môžu pozostávať iba z jedného prvku, množstvo tohto prvku tiež odlišuje rôzne látky. Kyslík, ktorý ľudia a iné zvieratá potrebujú, je kombinácia dvoch atómov kyslíka (O2); tri atómy kyslíka (O3) však vytvárajú látku ozón, ktorá je podstatnou súčasťou zemskej atmosféry, ale môže byť toxická pre organický život.