Các nguyên tử không tồn tại riêng lẻ. Chúng liên kết với nhau để tạo thành phân tử và hợp chất. Liên kết hóa học là lực hút bền vững giữa các nguyên tử, cho phép hình thành các hợp chất. Liên kết có thể là liên kết ion, liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết kim loại. Nó có thể mạnh hoặc yếu. Nó có thể phân cực hoặc không phân cực. Loại liên kết quyết định tính chất của chất đó.

Liên kết ion hình thành khi một nguyên tử chuyển electron cho nguyên tử khác, tạo ra các ion mang điện tích trái dấu hút nhau. Natri clorua là một ví dụ. Các hợp chất ion thường cứng, giòn và tan trong nước. Chúng dẫn điện khi nóng chảy hoặc hòa tan. Liên kết cộng hóa trị hình thành khi các nguyên tử chia sẻ electron. Nước, metan và DNA là các hợp chất cộng hóa trị. Các hợp chất cộng hóa trị thường có điểm nóng chảy thấp hơn và không dẫn điện. Liên kết kim loại hình thành khi các nguyên tử kim loại chia sẻ một lượng lớn electron không định xứ. Chúng tạo cho kim loại tính dẫn điện, tính dễ uốn và độ bóng.

Các liên kết không phải là tĩnh. Chúng rung động, giãn ra và uốn cong. Chúng có thể đứt và tái tạo. Độ bền của liên kết được đo bằng năng lượng liên kết, tức là năng lượng cần thiết để phá vỡ nó. Độ bền liên kết rất khác nhau. Liên kết ba trong nitơ là một trong những liên kết mạnh nhất, đó là lý do tại sao khí nitơ lại không phản ứng mạnh. Liên kết hydro trong nước yếu hơn nhiều, nhưng nó lại chịu trách nhiệm cho điểm sôi cao và sức căng bề mặt của nước.

Các liên kết hóa học là chất keo kết dính thế giới vật chất. Chúng quyết định cách các nguyên tử kết hợp, cách các phân tử hoạt động và cách các phản ứng diễn ra.