L'atome est constitué d'un noyau qui contient des protons et des neutrons. Les protons ont une charge positive, tandis que les neutrons sont neutres. Autour du noyau se trouvent les électrons, qui sont les particules chargées négativement. Les électrons occupent des orbites appelées couches électroniques. La première couche peut contenir jusqu'à deux électrons, la deuxième jusqu'à huit, et ainsi de suite selon le modèle de Bohr. La structure atomique détermine en grande partie le comportement chimique de l'élément.

Lorsqu'un atome gagne ou perd un ou plusieurs électrons, il devient un ion. Un ion positif, ou cation, est formé par la perte d'un ou plusieurs électrons, alors qu'un ion négatif, ou anion, est formé par le gain d'électrons. Ce processus permet aux atomes de stabiliser leur structure électronique, souvent en atteignant la configuration électronique du gaz rare le plus proche. Les ions ont un rôle crucial dans de nombreux phénomènes chimiques et physiques, notamment dans la conduction électrique dans les solutions et solides ioniques.

Les molécules se forment lorsque les atomes s'unissent par des liaisons chimiques. Les liaisons peuvent être de différents types, telles que covalentes, ioniques, ou métalliques. Dans une liaison covalente, les atomes partagent des paires d'électrons. Les liaisons ioniques se produisent entre un métal et un non-métal, où l'électron est transféré de l'un à l'autre. Les molécules diatomiques, comme l'oxygène (O2) ou l'azote (N2), sont des exemples de molécules simples tandis que les macromolécules, comme les protéines ou l'ADN, sont des exemples de structures moléculaires complexes.

Une liaison chimique est l'énergie qui maintient deux atomes ensemble dans une molécule. Les types de liaisons chimiques incluent les liaisons covalentes, où les électrons sont partagés, et les liaisons ioniques, où les électrons sont transférés d'un atome à un autre. Les liaisons métalliques sont un autre type de liaison chimique où des électrons délocalisés attirent ensemble des ions métalliques. Les interactions intermoleculaires, telles que les forces de Van der Waals, les ponts hydrogènes, et les forces dipolaires, sont fondamentales dans la formation et la stabilité des états de la matière, influençant des propriétés telles que les points de fusion et d'ébullition.

L'évolution des modèles atomiques a commencé avec le modèle de Dalton, qui représentait l'atome comme une sphère indivisible. Le modèle de Thomson proposait l'atome comme une sphère à charge positive incrustée d'électrons (modèle du « plum pudding »). Ce modèle fut remplacé par le modèle de Rutherford, basé sur sa célèbre expérience de la feuille d'or, qui décrivait l'atome avec un petit noyau dense entouré d'électrons. Plus tard, Bohr améliora ce modèle en introduisant des orbites fixes pour les électrons. Enfin, le modèle quantique moderne, développé par Schrödinger et d'autres, décrit l'atome avec des orbitales où la probabilité de trouver un électron peut être calculée.