Kemična spojina je vrsta molekule (zbirka vezanih atomov), sestavljena iz več kot enega elementa. Na primer, voda (H2O) je spojina, medtem ko dvoatomski vodik (H2) ni. Večina atomov, ki sestavljajo zemeljsko skorjo in žive organizme, je v sestavljeni obliki. Spojine so predstavljene z molekularnimi formulami, ki navajajo sestavne atome in njihovo številčnost.
Odvisno od atomov se spojina lahko drži skupaj z različnimi kemičnimi vezmi. Vezi nastanejo z interakcijami atomskih elektronskih lupin v različnih orbitalnih konfiguracijah. Odvisno od števila elektronov, ki krožijo okoli jedra atoma, in količine prostora v orbitalah so nekateri atomi nagnjeni k vezanju z nekaterimi drugimi vrstami atomov. Lewisove pike, grafični sistem za predstavitev vrst sestavljenih vezi, poimenovan po kemiku Gilbertu Lewisu, se pogosto poučuje v srednješolskih razredih kemije. O obstoju kemičnih vezi se špekulira že vsaj od 12. stoletja, čeprav je bilo celotno področje slabo razumljeno, dokler Lewis leta 1916 ni predstavil koncepta elektronskih vezi.
Ko ima atom “polno” elektronsko lupino, je zelo nereaktiven in se ne veže na druge atome. Ti elementi se nahajajo na skrajni desni strani periodnega sistema in se imenujejo žlahtni plini. Primeri vključujejo helij, neon in argon.
V kemičnih spojinah je najpogostejša vrsta vezi kovalentna vez, kjer imata oba sestavna atoma podobno elektronegativnost, kar ima za posledico enakomerno delitev elektronov. Elektronske orbitale se prekrivajo in en sam elektron lahko kroži okoli obeh atomskih jeder, ki ne pripadata nobenemu izključno. Primer molekule, ki jo držijo kovalentne vezi, je diamant. Druga vrsta vezi, ionska vez, se pojavlja pri atomih s pomembnimi razlikami v elektronegativnosti, kjer ta atom prevladuje pri dobavi elektronov. Te so ponavadi nekoliko šibkejše od kovalentnih vezi. Primer je natrijev klorid ali sol.
Obstajajo tudi druge vrste vezi: kovinske vezi, van der Waalsove sile in številne druge. Ti skupaj sestavljajo vse kemične spojine v vesolju.