Οι χημικές αντιδράσεις συμβαίνουν κάθε φορά που σχηματίζονται ή σπάνε δεσμοί μεταξύ των μορίων. Το γιατί ορισμένα άτομα συνδυάζονται με ποια άλλα άτομα είναι ένα σύνθετο ερώτημα που εξηγείται εξαντλητικά από την κβαντική χημεία. Η απλή εκδοχή είναι ότι τα άτομα συνδέονται ηλεκτρομαγνητικά με βάση τις ιδιότητες των κελυφών ηλεκτρονίων τους. Υπάρχουν διάφοροι τύποι χημικών δεσμών. Γενικά, όσο πιο στενά επικαλύπτονται τα κελύφη ηλεκτρονίων, τόσο ισχυρότερος είναι ο δεσμός. Οι χημικές αντιδράσεις συμβαίνουν όταν η θερμότητα, η ακτινοβολία και/ή οι ξένες χημικές ουσίες διαταράσσουν μια κατάσταση ισορροπίας και προκαλούν τη θραύση ή/και το σχηματισμό χημικών δεσμών, προκαλώντας έτσι νέες μοριακές μορφές.
Οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε μερικές κατηγορίες. Το απλούστερο είναι πιθανώς η σύνθεση, όπου δύο ή περισσότερα μόρια ή άτομα συνδυάζονται σε ένα νέο μόριο. Για παράδειγμα, ο σίδηρος συν οξυγόνο σχηματίζει οξείδιο σιδήρου ή σκουριά. Το αντίθετο της σύνθεσης είναι η ανάλυση ή η χημική αποσύνθεση, όπου ένα μόριο διασπάται στα συστατικά του. Αυτό συμβαίνει όταν η ηλεκτρόλυση του νερού παράγει οξυγόνο και αέριο υδρογόνο. Η υποκατάσταση, μια άλλη ποικιλία χημικών αντιδράσεων, συμβαίνει όταν ένα πιο αντιδραστικό άτομο ή μόριο εκτοξεύει ένα μέρος ενός άλλου μορίου και παίρνει τη θέση του. Αυτό συμβαίνει κάθε φορά που ένα οξύ τρώει ένα μέταλλο. Και τέλος, υπάρχει η καύση, η οποία συμβαίνει όταν κάτι σαν ξύλο υφίσταται οξείδωση και αποτεφρώνεται.
Ο αριθμός των πιθανών χημικών αντιδράσεων στη φύση είναι εξαιρετικά τεράστιος. Υπάρχουν περισσότερα από δισεκατομμύρια – επειδή τα πολύ μεγάλα μόρια έχουν τόσα πολλά συστατικά, ο αριθμός των πιθανών αντιδράσεων είναι τεράστιος. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα στην οργανική χημεία, όπου τα μόρια εκατομμυρίων ατόμων είναι ο κανόνας. Η ζωή είναι δυνατή λόγω του τεράστιου αριθμού πιθανών χημικών διαμορφώσεων που μπορούν να επιτευχθούν από οργανικά μόρια.
Ειδικά στα οργανικά, ειδικά μόρια που ονομάζονται ένζυμα είναι ικανά να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις χωρίς τα ίδια να υποστούν καμία χημική αλλαγή. Μια άλλη λέξη για αυτό είναι καταλύτης. Χωρίς καταλυτικά ένζυμα, ο καθημερινός καταρράκτης των πολυάριθμων αντιδράσεων που συνθέτουν τη ζωή θα έπαιρνε πολύ χρόνο για να είναι πρακτικός. Στα αυτοκίνητα, οι καταλυτικοί μετατροπείς επεξεργάζονται τα καυσαέρια από τον κινητήρα για να τον κάνουν πολύ λιγότερο τοξικό από ό,τι θα ήταν διαφορετικά. Ένα πολύ σημαντικό καθήκον των χημικών είναι να κατανοούν διεξοδικά τους καταλύτες.
Είναι αδύνατο να υποτιμήσουμε τη σημασία των χημικών αντιδράσεων στον κόσμο στον οποίο ζούμε. Πολυάριθμες επιστημονικές εξελίξεις συμβαίνουν όταν καταλαβαίνουμε έστω και λίγα περισσότερα για τη χημεία. Ίσως ένα από τα πιο σημαντικά για τον ανθρώπινο πολιτισμό είναι η διαδικασία Haber-Bosch – μια χημική αντίδραση όπου το άζωτο από την ατμόσφαιρα συμπιέζεται και συνδυάζεται με άλλες χημικές ουσίες σε ένα υπερθερμασμένο περιβάλλον για τη δημιουργία τεχνητού λιπάσματος. Χωρίς αυτό, δεν θα μπορούσαμε να καλλιεργήσουμε όλα τα φυτά που χρησιμοποιούμε για να τραφούμε και ο παγκόσμιος πληθυσμός θα ήταν πολύ μικρότερος και πιο πεινασμένος.