Empirijske formule opisuju omjer svake vrste atoma u tvari. Riječ “empirijski” odnosi se na podrijetlo empirijskih formula u vidljivim rezultatima; odnosno formule se određuju eksperimentom. Znanstvenici testiraju sastav nepoznatih spojeva promatrajući njihovo stvaranje ili interakciju s poznatim tvarima. Omjer atoma u spoju daje samo grubu predodžbu o njegovoj prirodi, ali je temelj za daljnja istraživanja.
Ako znanstvenici mogu stvoriti spoj i znati sastav reagensa ili tvari koje reagiraju, mogu odrediti empirijsku formulu proizvoda. Oni provode reakciju kako bi proizveli proizvod bez ostavljanja neizreagiranih inputa. Također prate udjele reagensa koji ulaze u reakciju. Važno je da znaju udio molekula reagensa, a ne udio mase ili volumena jer ta mjerenja mogu varirati za različite molekule. Udio reagensa im govori o udjelu atoma u proizvodu budući da se sve molekule koje unesu koriste u reakciji.
Druga metoda određivanja empirijskih formula je izazvati reakciju spoja s drugom tvari i promatrati produkte reakcije. Znanstvenici obično koriste ovu metodu za analizu ugljikovodika, tvari koje sadrže samo atome ugljika i vodika. Oni spaljuju nepoznate ugljikovodike i skupljaju ugljični dioksid i vodenu paru što rezultira reakcijom.
Kada ugljikovodik gori, on reagira s kisikom; reakcija se može predstaviti kao A CfHg + B O2 –> D CO2 + E H2O, gdje A, B, D i E označavaju udjele molekula u reakciji, a f i g predstavljaju udjele ugljika i vodika u ugljikovodiku . Eksperimentatori mjere masu ugljičnog dioksida i vodene pare. Zatim dijele te brojeve s molekulskom težinom odgovarajućih spojeva. Za ugljični dioksid, rezultirajući broj je isti kao i broj ugljikovih atoma, ali oni moraju pomnožiti broj molekula vode s dva da bi dobili broj molekula vodika. Oni pronalaze najmanje cijele brojeve koji čuvaju omjer C i H, a to su f i g u jednadžbi: indeksi empirijske formule.
Empirijske formule ne ukazuju na točnu strukturu molekule. Acetilen i benzen, na primjer, su ugljikovodici koji sadrže jednak broj atoma ugljika i vodika, pa je empirijska formula svakog od njih CH. Molekularna formula acetilena je C2H2, dok je benzen C6H6. Imaju znatno različita svojstva unatoč tome što imaju istu empirijsku formulu. Acetilen je vrlo eksplozivan plin koji se koristi za rezanje i zavarivanje; benzenski prstenovi sa šest ugljika su definitivna komponenta aromatičnih tvari i prisutni su u mnogim molekulama odgovornim za okuse i mirise.