Atomii nu există izolați. Se leagă împreună pentru a forma molecule și compuși. O legătură chimică este o atracție durabilă între atomi care permite formarea compușilor. Legătura poate fi ionică, covalentă sau metalică. Poate fi puternică sau slabă. Poate fi polară sau nepolară. Tipul de legătură determină proprietățile substanței.

Legăturile ionice se formează atunci când un atom transferă electroni către altul, creând ioni cu încărcări opuse care se atrag reciproc. Clorura de sodiu este un exemplu. Compușii ionici tind să fie duri, fragili și solubili în apă. Aceștia conduc electricitatea atunci când sunt topiți sau dizolvați. Legăturile covalente se formează atunci când atomii împart electroni. Apa, metanul și ADN-ul sunt covalente. Compușii covalenți tind să aibă puncte de topire mai scăzute și nu conduc electricitatea. Legăturile metalice se formează atunci când atomii metalici împart o mare de electroni delocalizați. Acestea conferă metalelor conductivitatea, maleabilitatea și luciul lor.

Legăturile nu sunt statice. Ele vibrează, se întind și se îndoaie. Se pot rupe și se pot reforma. Tăriea unei legături este măsurată prin energia de legătură, energia necesară pentru a o rupe. Tăriea legăturii variază foarte mult. Legătura triplă din azot este una dintre cele mai puternice, motiv pentru care azotul gazos este atât de nereactiv. Legătura de hidrogen din apă este mult mai slabă, dar este responsabilă pentru punctul de fierbere ridicat al apei și tensiunea superficială.

Legăturile chimice sunt liantul lumii materiale. Ele determină modul în care se combină atomii, cum se comportă moleculele și cum se desfășoară reacțiile.