מבנה החומרים שבהם אנו משתמשים באופן שוטף נובע מתכונותיהן של תרכובות כימיות ושל האינטרקציות ביניהן. לדוגמה, פלדה קשה יותר מברזל כיוון שהאטומים שלה מאורגנים בתא יחידה קשיח יותר; עץ נשרף או עובר חמצון מהיר כיוון שהוא יכול להגיב בתגובה כימית ספונטנית עם חמצן מעל לטמפרטורה מסוימת; סוכר ומלח מומסים במים כיוון שהתכונות המולקולריות/יוניות שלהם הן כאלה שההתמוססות היא המצב המועדף בטמפרטורת החדר. חומרים כימיים מסווגים במונחים של מבנה, מצב צבירה והרכב כימי. ניתן לנתח אותם באמצעות שימוש בשיטות של אנליזה כימית, כגון ספקטרוסקופיה וכרומטוגרפיה.

תגובה כימית היא תהליך שבו משתנה מבנה המולקולות המרכיבות את החומר. תרכובות המוצא נקראות "מגיבים", והתרכובות הנוצרות בסופה של התגובה קרויות "תוצרים". מספר האטומים והאלקטרונים אינו משתנה במהלך התגובה, זאת לפי חוק שימור המסה. בדרך כלל משתתף בתגובה יותר ממגיב אחד. בתגובה כימית עשויות מולקולות להתרכב וליצור תרכובת של מולקולות גדולות יותר, להתפרק וליצור מולקולות קטנות יותר, או ליצור סידור חדש של האטומים בתוך המולקולה. הכימיה משלבת את מושגי האנרגיה והאנטרופיה ביחס לספונטניות ותהליכים כימיים. תגובה כימית כרוכה, בדרך כלל, ביצירה או בשבירה של קשרים כימיים, ובצריכה או בפליטה של אנרגיה.