Kemične reakcije se pojavijo vsakič, ko se tvorijo ali pretrgajo vezi med molekulami. Zakaj se nekateri atomi združujejo s katerimi drugimi atomi, je zapleteno vprašanje, ki ga izčrpno razlaga kvantna kemija. Preprosta različica je, da se atomi elektromagnetno povezujejo na podlagi lastnosti njihovih elektronskih lupin. Obstajajo različne vrste kemičnih vezi; na splošno velja, da bolj ko se elektronske lupine prekrivajo, močnejša je vez. Kemične reakcije se zgodijo, ko toplota, sevanje in/ali tuje kemikalije motijo ravnotežno stanje in povzročijo prekinitev in/ali nastanek kemičnih vezi, s čimer nastanejo nove molekularne oblike.
Kemične reakcije lahko razvrstimo v nekaj kategorij. Najpreprostejša je verjetno sinteza, kjer se dve ali več molekul ali atomov združita v novo molekulo. Na primer, železo in kisik tvorita železov oksid ali rjo. Nasprotje sinteze je analiza ali kemična razgradnja, kjer se molekula razpade na svoje sestavine. To se zgodi, ko pri elektrolizi vode nastaneta kisik in vodik. Substitucija, druga vrsta kemične reakcije, se zgodi, ko bolj reaktiven atom ali molekula izloči del druge molekule in zasede njeno mesto. To se zgodi vsakič, ko kislina poje v kovino. In končno, obstaja izgorevanje, ki se pojavi, ko nekaj, kot je les, oksidira in sežge.
Število možnih kemičnih reakcij v naravi je izjemno veliko. Več kot milijarde jih je – ker imajo zelo velike molekule toliko komponent, je število možnih reakcij ogromno. To še posebej velja v organski kemiji, kjer so molekule z milijoni atomov norma. Življenje je možno zaradi ogromne količine možnih kemičnih konfiguracij, ki jih lahko dosežejo organske molekule.
Zlasti v organskih snoveh so posebne molekule, imenovane encimi, sposobne pospešiti kemične reakcije, ne da bi bile podvržene kemičnim spremembam. Druga beseda za to je katalizator. Brez katalitskih encimov bi vsakodnevna kaskada številnih reakcij, ki sestavljajo življenje, trajala predolgo, da bi bila praktična. V avtomobilih katalizatorji obdelajo izpušne pline iz motorja, da postanejo veliko manj strupeni, kot bi bili sicer. Zelo pomembna naloga kemikov je temeljito razumevanje katalizatorjev.
Nemogoče je podcenjevati pomen kemičnih reakcij v svetu, v katerem živimo. Številni znanstveni napredki se pojavijo, ko razumemo vsaj malo več o kemiji. Morda je eden najpomembnejših za človeško civilizacijo Haber-Boschev proces – kemična reakcija, pri kateri se dušik iz ozračja stisne in kombinira z drugimi kemikalijami v pregretem okolju, da se ustvari umetno gnojilo. Brez tega ne bi mogli vzgojiti vseh rastlin, ki jih uporabljamo za prehrano, svetovno prebivalstvo pa bi bilo veliko manjše in bolj lačno.