สสารทั้งหมดอยู่ในกลุ่มโมเลกุลขนาดใหญ่ โมเลกุลเป็นการรวมตัวของอะตอมอีกสองอะตอมซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของสสารทางกายภาพที่สำคัญที่สุด อะตอมจะได้รับน้ำหนักที่แตกต่างกันตามจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสและอิเล็กตรอนในเมฆโดยรอบ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าแบบเดียวกันที่ทำให้อะตอมเดียวอยู่ด้วยกันสามารถจับอะตอมตั้งแต่สองอะตอมขึ้นไปรวมกันเป็นโมเลกุลได้ ในขณะที่โมเลกุลจำนวนมากมารวมกันเป็นสสาร
อะตอม ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานของชีวิต ประกอบด้วยอนุภาคสามตัว ได้แก่ นิวตรอน โปรตอน และอิเล็กตรอน มวลอะตอมส่วนใหญ่พบได้ในนิวเคลียส ซึ่งอยู่ใจกลางอะตอม ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ในขณะที่อิเล็กตรอนจะบดบังพื้นที่นอกนิวเคลียส โปรตอนมีประจุบวกในขณะที่อิเล็กตรอนมีประจุลบและนิวตรอนเป็นกลาง น้ำหนักอะตอมของอะตอมถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนและนิวตรอน ในขณะที่เลขอะตอมของอะตอมจะเท่ากับจำนวนโปรตอนที่มีอยู่เท่านั้น ในขณะที่อิเลคตรอนอาจแตกต่างกันไป ในกรณีของอิออนซึ่งมีอิเลคตรอนที่สูญเสียหรือได้รับ และนิวตรอนอาจ ไม่มีอยู่จริง ดังเช่นในอะตอมของไฮโดรเจนที่ไม่มีนิวตรอน จำนวนโปรตอนในอะตอมไม่มีวัน การเปลี่ยนแปลง เนื่องจากอิเล็กตรอนอาจได้รับหรือสูญเสียและไม่รวมนิวตรอน ธาตุจะถูกระบุด้วยเลขอะตอม เนื่องจากจำนวนโปรตอนไม่เคยเปลี่ยนแปลง ตารางธาตุเป็นแผนภูมิแสดงองค์ประกอบที่รู้จักทั้งหมดที่มีอยู่ จัดเรียงบางส่วนตามจำนวน ธาตุที่หนึ่งและง่ายที่สุด คือ ไฮโดรเจน ซึ่งมีโปรตอนเพียงตัวเดียวและหนึ่งอิเล็กตรอน คือเลขอะตอมหนึ่ง ในขณะที่องค์ประกอบที่ใหญ่กว่า เช่น เรเดียมที่หมายเลข 88 จะแสดงตามลำดับของจำนวน โปรตอน
โมเลกุลคือการรวมกันของอะตอมตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไปเป็นสารเฉพาะ บางทีชุดค่าผสมที่รู้จักกันดีที่สุดคือน้ำ (H2O), คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และออกซิเจน (O2, ไดออกซิเจนที่แม่นยำกว่า) สูตรทางเคมีของโมเลกุล (เช่น H2O) แสดงอะตอมจำเพาะในสารรวมทั้งจำนวนธาตุที่พบ ในกรณีของน้ำ (H2O) มีไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอมในทุกโมเลกุลของน้ำ หากโมเลกุลสูญเสียอะตอมเหล่านี้ไปหนึ่งอะตอม สารประกอบก็จะหยุดเป็นน้ำ
โมเลกุลถูกยึดเข้าด้วยกันเนื่องจากส่วนบวกและลบของอะตอม (โปรตอนและอิเล็กตรอนตามลำดับ) ถูกดึงดูดเข้าหากัน สิ่งเหล่านี้เรียกว่าพันธะเคมี แต่ละโมเลกุลมีขั้วบวกและขั้วลบ เช่น ด้านข้างของแบตเตอรี่ ซึ่งเชื่อมกับโมเลกุลอื่นๆ เพื่อสร้างสารเฉพาะ ในกรณีของน้ำ อะตอมออกซิเจนที่มีประจุบวกจะถูกดึงดูดไปยังอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุลบ ทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจน
สารประกอบคือการรวมกันขององค์ประกอบมากกว่าหนึ่งอย่าง เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจน (น้ำ) หรือโซเดียมและคลอรีน (เกลือ) แม้ว่าจะมีองค์ประกอบที่รู้จักเพียง 118 ธาตุ แต่การรวมกันและลำดับของอะตอมที่เฉพาะเจาะจงทำให้เกิดความเป็นไปได้มากมาย ตัวอย่างเช่น เอทานอลที่เป็นสารประกอบทางเคมี หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าแอลกอฮอล์ มีสูตรทางเคมีของ C2H5OH แม้ว่าจะมีอะตอมไฮโดรเจนอยู่ 6 อะตอม ไฮโดรเจนสุดท้ายจะถูกผูกมัดกับอะตอมของออกซิเจน ที่จริงแล้วมันเป็นพันธะของอะตอมคาร์บอนกับกลุ่มไฮดรอกซิล (OH) ที่แยกสารประกอบอินทรีย์ใดๆ ว่าเป็นแอลกอฮอล์ แต่ไม่เฉพาะเจาะจงกับเอทานอล
แม้ว่าสารบางชนิดอาจประกอบด้วยธาตุเดียว แต่ปริมาณของธาตุนั้นก็แยกแยะความแตกต่างของสารต่างๆ ได้ ออกซิเจนที่มนุษย์และสัตว์อื่นๆ ต้องการคือการรวมกันของออกซิเจนสองอะตอม (O2); อย่างไรก็ตาม ออกซิเจนสามอะตอม (O3) สร้างสารโอโซน ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของชั้นบรรยากาศของโลก แต่อาจเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตอินทรีย์
