Inom kemi hänvisar termen ”monatomisk” ofta till ett tillstånd när element förekommer i form av enstaka atomer som inte är bundna till andra atomer. Detta sker mestadels med gaser, och alla element kan uppnå detta enatomstillstånd vid tillräckligt höga temperaturer. Var och en av de så kallade ädelgaserna – helium, neon, argon, krypton, xenon och radon – är naturligtvis en monoatomisk gas vid standardtemperatur och -tryck. Termen har en något annan innebörd när det gäller joner, eftersom monoatomiska joner är uppbyggda av endast ett element, men varje sådan jon kan innehålla flera atomer av det enda elementet. En relaterad kemiterm är diatomisk, som hänvisar till en molekyl som består av två atomer som antingen kan vara av samma element eller av två olika element.
Grundämnen finns sällan i ett monoatomiskt tillstånd, särskilt om de inte är i gasform. Detta beror på att atomer tenderar att klunga ihop sig. Inom fysikalisk kemi beskrivs denna attraktion mellan atomer och molekyler i detalj av van der Waals kraft. Ädelgaserna är uppbyggda av mycket stabila atomer och har låg kemisk reaktivitet, varför de lättare kan existera i monoatomiskt tillstånd. Dessa gaser delar också andra egenskaper, inklusive att de inte har någon färg eller lukt.
Joner är partiklar med en negativ laddning, även kallade anjoner, eller en positiv laddning, även kallade katjoner. Polyatomära joner är uppbyggda av två eller flera element. Monatomiska joner består av ett element, och det finns två typer av denna typ av joner. Typ I är joner som består av ett enda element som alltid har samma laddning i jonform och bildar antingen katjoner eller anjoner. Exempel på detta är silver- och zinkjoner. Typ II-joner är också uppbyggda av ett enda grundämne, men i jonform kan dessa grundämnen bilda både anjoner och katjoner, vilket är fallet med järn och koppar.
Egenskaperna för en enskild atom i ett grundämne kan vara annorlunda än egenskaperna hos kluster av atomer av samma element. Monatomiskt guld har till exempel en annan färg och andra ledande egenskaper än kluster av guldatomer. Väte förekommer vanligtvis i form av en gas, där två väteatomer bildar en vätemolekyl. Monatomiskt väte är mycket sällsynt och mycket instabilt, men forskare tror att det kan användas som ett kraftfullt bränsle, till exempel för rymdresor.