Atomy nie istnieją w izolacji. Łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki i związki. Wiązanie chemiczne to trwałe przyciąganie między atomami, które umożliwia tworzenie związków. Wiązanie może być jonowe, kowalencyjne lub metaliczne. Może być silne lub słabe. Może być polarne lub niepolarne. Rodzaj wiązania decyduje o właściwościach substancji.

Wiązania jonowe powstają, gdy jeden atom przekazuje elektrony drugiemu, tworząc jony o przeciwnym ładunku, które przyciągają się wzajemnie. Przykładem jest chlorek sodu. Związki jonowe są zazwyczaj twarde, kruche i rozpuszczalne w wodzie. Przewodzą prąd elektryczny w stanie stopionym lub rozpuszczonym. Wiązania kowalencyjne powstają, gdy atomy dzielą się elektronami. Woda, metan i DNA są kowalencyjne. Związki kowalencyjne mają zazwyczaj niższe temperatury topnienia i nie przewodzą prądu elektrycznego. Wiązania metaliczne powstają, gdy atomy metalu dzielą się morzem zdelokalizowanych elektronów. Nadają one metalom przewodnictwo, ciągliwość i połysk.

Wiązania nie są statyczne. Wibrują, rozciągają się i zginają. Mogą pękać i przekształcać się. Siłę wiązania mierzy się energią wiązania, czyli energią potrzebną do jego rozerwania. Siła wiązania jest bardzo zróżnicowana. Potrójne wiązanie w azocie jest jednym z najsilniejszych, dlatego azot jest tak mało reaktywny. Wiązanie wodorowe w wodzie jest znacznie słabsze, ale to ono odpowiada za wysoką temperaturę wrzenia i napięcie powierzchniowe wody.

Wiązania chemiczne są spoiwem świata materialnego. Określają sposób łączenia się atomów, zachowanie cząsteczek i przebieg reakcji.