Сва материја у себи је масивна колекција молекула. Молекули су спој два или више атома, који су најосновнија јединица физичке материје. Атоми добијају различиту тежину на основу броја протона и неутрона у језгру и електрона у околном облаку. Иста електромагнетна сила која држи један атом на окупу такође може држати два или више атома заједно да би створила молекул, док се бројни молекули удружују да би створили материју.
Атоми, основни блокови живота, састоје се од три честице: неутрона, протона и електрона. Велика већина атомске масе налази се у језгру, у центру атома, који се састоји од протона и неутрона, док електрони замагљују подручје изван језгра. Протони су позитивно наелектрисани, док су електрони негативно набијени, а неутрони неутрални. Атомска тежина атома одређена је бројем протона и неутрона, док је његов атомски број једнак само количини присутних протона. Док се електрони могу разликовати, у случају јона код којих су електрони изгубљени или стечени, а неутрони се могу не бити присутан, као у атомима водоника који немају неутроне, број протона у атому никада Промене. Будући да се електрони могу добити или изгубити, а неутрони не смеју бити укључени, елементи се идентификују атомским бројем, јер се број протона никада не мења. Периодни систем елемената је графикон који приказује све познате елементе који постоје, делимично поређани по броју. Први и најједноставнији елемент, водоник, са само једним протоном и једним електроном, је атомски број један, док су већи елементи, попут радијума на броју 88, приказани редоследом њиховог броја протони.
Молекули су комбинација једног или више атома у одређену супстанцу. Можда су најпознатије комбинације вода (Х2О), угљен-диоксид (ЦО2) и кисеоник (О2, тачније диоксиген). Хемијска формула молекула (као што је Х2О) показује специфичне атоме у супстанци, као и колико је сваког елемента пронађено. У случају воде (Х2О) у сваком молекулу воде постоје два атома водоника и један атом кисеоника. Ако би молекул изгубио један од ових атома, једињење би престало да буде вода.
Молекуле се држе заједно јер се позитивни и негативни делови атома (протони, односно електрони) међусобно привлаче. То се називају хемијске везе. Сваки молекул има позитиван и негативан крај, попут страница батерије, које се спајају са другим молекулима да би створиле одређену супстанцу. У случају воде, позитивно наелектрисани атоми кисеоника привлаче негативно наелектрисани атом водоника, формирајући водоничну везу.
Једињења су било која комбинација више од једног елемента, као што су водоник и кисеоник (вода) или натријум и хлор (сол). Иако постоји само 118 познатих елемената, специфична комбинација и редослед атома ствара бесконачно много могућности. На пример, хемијско једињење етанол, које се обично назива алкохолом, има хемијску формулу Ц2Х5ОХ. Иако је присутно шест атома водоника, коначни водоник је везан за атом кисеоника. Заправо је веза атома угљеника са хидроксилном (ОХ) групом та која разликује свако органско једињење као алкохол, али не посебно као етанол.
Иако се неке супстанце могу састојати од само једног елемента, количина тог елемента такође разликује различите супстанце. Кисеоник који је потребан људима и другим животињама је комбинација два атома кисеоника (О2); међутим, три атома кисеоника (О3) стварају супстанцу озон, која је важан део Земљине атмосфере, али може бити токсичан за органски живот.