Kimyanın en önemli kavramlarından biri, elementlerin molekül ağırlıklarıdır. Yapısında tek cins atom içeren maddelere element denir. Doğada bilinen 92 çeşit element bulunmaktadır. Yapay olarak elde edilenlerle birlikte toplamda 118 çeşit element mevcuttur. Elementler, semboller ile gösterilir. Bu semboller yazılırken ilk harf her zaman büyük, ikinci harf ise küçük yazılır. Örneğin, hidrojen (H) ve oksijen (O) elementleri gibi. Atomlar proton, nötron ve elektrondan oluşur. Proton ve nötron atomun çekirdeğini oluştururken, elektron çekirdeğin etrafında belirli bir yörüngede dolanır.

Elementler, farklı şekillerde ve sayılarda bir araya gelerek yüzlerce farklı atom oluştururlar. Bu çeşitliliğin sebebi, atomların farklı şekillerde ve sayılarda birleşmesidir. Örneğin, tuz (NaCl), şeker (C₁₂H₂₂O₁₁), su (H₂O) ve karbondioksit (CO₂) gibi maddeler bu birleşimlerin sonucudur. Moleküller, aynı cins atomlardan oluşursa element molekülü, farklı cins atomlardan oluşursa bileşik molekülüdür.

Molekülleri oluşturan atomların kendine özgü yapıları ve sıraları vardır. Bu durum, birbirinden farklı maddesel özelliklerin ortaya çıkmasına neden olur. Atom ağırlığı, proton, nötron ve elektron ağırlıklarının toplamına eşittir. Ancak elektron ağırlığı çok küçük olduğundan, genellikle sıfır olarak kabul edilir. Molekül, bir bileşiğin özelliğini gösteren en küçük serbest parçacığıdır. Tüm elementler ve bileşikler saf maddelerdir. Bu nedenle, farklı koşullarda bile kendilerini oluşturan atomik ve moleküler yapısını ve özelliğini korurlar.

Herhangi bir elementin atomik kütlesi, o elementin doğal olarak bulunan izotoplarının kütlesine ve doğadaki bulunma yüzdelerine bağlıdır. Yani bir element doğada birden fazla izotoptan oluşursa, bu elementin atom ağırlığı izotopların atom kütlesine bağlı olarak değişir. Bu nedenle, kimyasal yollarla farklı maddelere ayrılamayan bazı moleküller tek türde atomdan oluşurken, bazı moleküller farklı türde atomlar içerebilir.

Atomlar, artı yüklü bir çekirdek ile bunun etrafını saran eksi yüklü bir elektron bulutundan oluşur. Atomlar birbirine yaklaştığında, elektron bulutları ve çekirdekler etkileşime girer. Bu sistemin enerjisini düşürecek bir etkileşim olursa, atomlar birbirine bağlanarak bir molekül oluşturur. Yapısal olarak herhangi bir molekül, tek bir atomdan (örneğin, helyum - He) oluşabilir ya da diğer asal gaz moleküllerinde olduğu gibi bir arada tutulan atom çokluğundan meydana gelebilir.

Kimyasal olarak bağlanmış iki atomdan oluşan moleküllerde, atomların her ikisi de aynı türde olursa iki çekirdekli molekül adını alır. Eğer farklı türde atomlardan oluşuyorsa buna karma çekirdekli molekül denir. Karbondioksit (CO₂) ve su (H₂O) gibi ikiden fazla atomdan oluşan moleküller, çok atomlu moleküller olarak adlandırılır. Polimer molekülleri ise binlerce atomdan oluşur.

Bir molekülün molekül ağırlığı, onu oluşturan atomların atom ağırlıklarının toplamına eşittir. Molekül ağırlığı (M) olan bir maddenin M gramı veya molüdür. Bütün maddelerin mol gramındaki molekül sayısı aynıdır ve bu sayı Avogadro sayısı olarak bilinir, yani 6.023 x 10²³'tür.