Os átomos não existem isoladamente. Ligam-se para formar moléculas e compostos. Uma ligação química é uma atração duradoura entre átomos que possibilita a formação de compostos. A ligação pode ser iónica, covalente ou metálica. Pode ser forte ou fraca. Pode ser polar ou apolar. O tipo de ligação determina as propriedades da substância.

As ligações iónicas formam-se quando um átomo transfere eletrões para outro, criando iões com cargas opostas que se atraem. O cloreto de sódio é um exemplo. Os compostos iónicos tendem a ser duros, quebradiços e solúveis em água. Conduzem eletricidade quando fundidos ou dissolvidos. As ligações covalentes formam-se quando os átomos partilham eletrões. A água, o metano e o ADN são compostos covalentes. Os compostos covalentes tendem a ter pontos de fusão mais baixos e não conduzem eletricidade. As ligações metálicas formam-se quando os átomos de metal partilham uma grande quantidade de eletrões deslocalizados. Conferem aos metais a sua condutividade, maleabilidade e brilho.

As ligações não são estáticas. Vibram, esticam e dobram. Podem romper-se e reformar-se. A força de uma ligação é medida pela energia de ligação, a energia necessária para a quebrar. A força das ligações varia muito. A ligação tripla no azoto é uma das mais fortes, razão pela qual o gás azoto é tão pouco reativo. A ligação de hidrogénio na água é muito mais fraca, mas é responsável pelo elevado ponto de ebulição e pela tensão superficial da água.

As ligações químicas são a cola do mundo material. Determinam como os átomos se combinam, como as moléculas se comportam e como as reações ocorrem.