Kemiska reaktioner inträffar när bindningar bildas eller bryts mellan molekyler. Varför vissa atomer kombineras med vilka andra atomer är en komplex fråga som förklaras uttömmande av kvantkemin. Den enkla versionen är att atomer binder samman elektromagnetiskt baserat på egenskaperna hos deras elektronskal. Det finns olika typer av kemiska bindningar; i allmänhet, ju mer överlappande elektronskalen är, desto starkare är bindningen. Kemiska reaktioner inträffar när värme, strålning och/eller främmande kemikalier stör ett jämviktstillstånd och orsakar brott och/eller bildar kemiska bindningar, vilket ger upphov till nya molekylära former.
Kemiska reaktioner kan delas in i några kategorier. Det enklaste är förmodligen syntes, där två eller flera molekyler eller atomer kombineras till en ny molekyl. Till exempel bildar järn plus syre järnoxid eller rost. Motsatsen till syntes är analys, eller kemisk nedbrytning, där en molekyl bryts isär till sina beståndsdelar. Detta inträffar när elektrolysen av vatten producerar syre och vätgas. Substitution, en annan variant av kemisk reaktion, händer när en mer reaktiv atom eller molekyl stöter ut en del av en annan molekyl och tar dess plats. Detta händer när en syra äter sig in i en metall. Och slutligen finns det förbränning, som uppstår när något som trä genomgår oxidation och förbränns.
Antalet möjliga kemiska reaktioner i naturen är extremt enormt. Det finns mer än miljarder – eftersom mycket stora molekyler har så många komponenter är antalet möjliga reaktioner enormt. Detta gäller särskilt inom organisk kemi, där miljonatomsmolekyler är normen. Livet är möjligt på grund av den enorma mängd möjliga kemiska konfigurationer som kan uppnås av organiska molekyler.
Speciellt i organiska ämnen är speciella molekyler som kallas enzymer kapabla att påskynda kemiska reaktioner utan att själva genomgå någon kemisk förändring. Ett annat ord för detta är en katalysator. Utan katalytiska enzymer skulle den vardagliga kaskaden av de många reaktioner som utgör livet ta för lång tid för att vara praktisk. I bilar behandlar katalysatorer avgaser från motorn för att göra den mycket mindre giftig än den skulle vara annars. En mycket viktig uppgift för kemister är att grundligt förstå katalysatorer.
Det är omöjligt att underskatta betydelsen av kemiska reaktioner i den värld vi lever i. Många vetenskapliga framsteg sker när vi förstår bara lite mer om kemi. Kanske en av de viktigaste för mänsklig civilisation är Haber-Bosch-processen – en kemisk reaktion där kväve från atmosfären komprimeras och kombineras med andra kemikalier i en överhettad miljö för att skapa konstgödsel. Utan det skulle vi inte kunna odla alla växter vi använder för att föda oss själva, och världens befolkning skulle vara mycket mindre och mer hungrig.