Kemijske reakcije se događaju kad god se veze formiraju ili prekidaju između molekula. Zašto se određeni atomi kombiniraju s kojim drugim atomima složeno je pitanje koje iscrpno objašnjava kvantna kemija. Jednostavna verzija je da se atomi međusobno elektromagnetski vežu na temelju svojstava njihovih elektronskih ljuski. Postoje razne vrste kemijskih veza; općenito, što se elektronske ljuske više preklapaju, to je veza jača. Kemijske reakcije se događaju kada toplina, zračenje i/ili strane kemikalije naruše stanje ravnoteže i uzrokuju prekid i/ili stvaranje kemijskih veza, čime nastaju novi molekularni oblici.
Kemijske reakcije mogu se podijeliti u nekoliko kategorija. Najjednostavnija je vjerojatno sinteza, gdje se dvije ili više molekula ili atoma spajaju u novu molekulu. Na primjer, željezo i kisik stvaraju željezni oksid ili hrđu. Suprotnost sintezi je analiza, odnosno kemijska razgradnja, gdje se molekula raspada na svoje sastojke. To se događa kada se elektrolizom vode stvaraju plinoviti kisik i vodik. Supstitucija, druga vrsta kemijske reakcije, događa se kada reaktivniji atom ili molekula izbaci dio druge molekule i zauzme njezino mjesto. To se događa kad god kiselina pojede metal. I konačno, dolazi do izgaranja, koje se događa kada nešto poput drveta podvrgne oksidaciji i spali se.
Broj mogućih kemijskih reakcija u prirodi iznimno je velik. Ima ih više od milijarde – jer vrlo velike molekule imaju toliko komponenti, broj mogućih reakcija je golem. To je osobito istinito u organskoj kemiji, gdje su molekule od milijun atoma norma. Život je moguć zbog ogromne količine mogućih kemijskih konfiguracija koje se mogu postići organskim molekulama.
Osobito u organskim tvarima, posebne molekule zvane enzimi sposobne su ubrzati kemijske reakcije, a da pritom ne prolaze ikakve kemijske promjene. Druga riječ za ovo je katalizator. Bez katalitičkih enzima, svakodnevna kaskada brojnih reakcija koje čine život trajala bi predugo da bi bila praktična. U automobilima, katalizatori obrađuju ispušne plinove iz motora kako bi bili daleko manje otrovni nego što bi inače bili. Vrlo važan zadatak kemičara je temeljito razumijevanje katalizatora.
Nemoguće je podcijeniti važnost kemijskih reakcija u svijetu u kojem živimo. Brojni znanstveni napredak događa se kada razumijemo čak i malo više o kemiji. Možda jedan od najvažnijih za ljudsku civilizaciju je Haber-Bosch proces – kemijska reakcija u kojoj se dušik iz atmosfere komprimira i kombinira s drugim kemikalijama u pregrijanom okruženju kako bi se stvorilo umjetno gnojivo. Bez toga ne bismo mogli uzgajati sve biljke kojima se hranimo, a svjetska populacija bila bi daleko manja i gladnija.