All materia i är en massiv samling molekyler. Molekyler är en sammanfogning av två av flera atomer, som är den mest grundläggande enheten för fysisk materia. Atomer ges en annan vikt baserat på antalet protoner och neutroner i kärnan och elektroner i det omgivande molnet. Samma elektromagnetiska kraft som håller en enda atom ihop kan också hålla två eller flera atomer tillsammans för att bilda en molekyl, medan många molekyler förenas för att bilda materia.
Atomer, de grundläggande byggstenarna i livet, består av tre partiklar: neutroner, protoner och elektroner. Den stora majoriteten av atommassan finns i kärnan, i atomens centrum, bestående av protoner och neutroner, medan elektroner molnar området utanför kärnan. Protoner är positivt laddade medan elektroner är negativt laddade och neutroner är neutrala. En atoms atomvikt bestäms av antalet protoner och neutroner, medan dess atomnummer är lika med endast den mängd närvarande protoner. Medan elektroner kan skilja sig åt, i fallet med joner, som har elektroner förlorade eller fått, och neutroner kan inte vara närvarande, som i väteatomer som inte har några neutroner, antalet protoner i en atom aldrig ändringar. Eftersom elektroner kan vinna eller gå förlorade och neutroner kanske inte ingår, identifieras element med atomnummer, eftersom antalet protoner aldrig ändras. Det periodiska systemet med element är ett diagram som visar alla kända element som finns, delvis ordnade efter nummer. Det första och enklaste elementet, väte, med bara en proton och en elektron, är atomnummer ett, medan större element, såsom radium vid nummer 88, visas i ordningen på deras antal protoner.
Molekyler är kombinationen av en eller flera atomer till en specifik substans. De kanske mest kända kombinationerna är vatten (H2O), koldioxid (CO2) och syre (O2, mer exakt dioxygen). Den kemiska formeln för en molekyl (som H2O) visar de specifika atomerna i ämnet samt hur många av varje element som finns. När det gäller vatten (H2O) finns det två väteatomer och en syreatom i varje vattenmolekyl. Om molekylen skulle förlora en av dessa atomer skulle föreningen upphöra att vara vatten.
Molekyler hålls ihop eftersom atomens positiva och negativa delar (protoner respektive elektroner) lockas till varandra. Dessa kallas kemiska bindningar. Varje molekyl har en positiv och negativ ände, som sidorna på ett batteri, som förenas med andra molekyler för att skapa den specifika substansen. När det gäller vatten dras de positivt laddade syreatomerna till den negativt laddade väteatomen och bildar en vätebindning.
Föreningar är vilken kombination som helst av mer än ett element, såsom väte och syre (vatten) eller natrium och klor (salt). Även om det bara finns 118 kända element skapar den specifika kombinationen och atomsekvensen en oändlig mängd möjligheter. Till exempel har den kemiska föreningen etanol, vanligen kallad alkohol, en kemisk formel av C2H5OH. Medan det finns sex väteatomer närvarande är det slutliga vätet bundet till syreatomen. Det är faktiskt bindningen av en kolatom till hydroxylgruppen (OH) som skiljer varje organisk förening som alkohol men inte specifikt som etanol.
Även om vissa ämnen kan bestå av endast ett ämne, skiljer mängden av det också olika ämnen. Det syre som människor och andra djur behöver är kombinationen av två syreatomer (O2); emellertid skapar tre syreatomer (O3) ämnet ozon, som är en väsentlig del av jordens atmosfär men kan vara giftigt för organiskt liv.