Cheminės reakcijos įvyksta, kai tarp molekulių susidaro arba nutrūksta ryšiai. Kodėl tam tikri atomai jungiasi su kitais atomais, yra sudėtingas klausimas, kurį išsamiai paaiškina kvantinė chemija. Paprasta versija yra ta, kad atomai jungiasi elektromagnetiniu būdu pagal savo elektronų apvalkalo savybes. Yra įvairių tipų cheminių jungčių; apskritai, kuo glaudžiau persidengia elektronų apvalkalai, tuo ryšys stipresnis. Cheminės reakcijos įvyksta, kai šiluma, spinduliuotė ir (arba) pašalinės cheminės medžiagos pažeidžia pusiausvyrą ir sukelia cheminių jungčių nutrūkimą ir (arba) susidarymą, taip sukurdamos naujas molekulines formas.
Cheminės reakcijos gali būti suskirstytos į keletą kategorijų. Paprasčiausia tikriausiai yra sintezė, kai dvi ar daugiau molekulių ar atomų susijungia į naują molekulę. Pavyzdžiui, geležis ir deguonis sudaro geležies oksidą arba rūdis. Sintezės priešingybė yra analizė arba cheminis skilimas, kai molekulė skyla į savo sudedamąsias dalis. Tai atsitinka, kai vandens elektrolizės metu susidaro deguonis ir vandenilio dujos. Pakeitimas, kita cheminių reakcijų atmaina, įvyksta, kai reaktyvesnis atomas ar molekulė išstumia kitos molekulės dalį ir užima jos vietą. Tai atsitinka, kai rūgštis patenka į metalą. Ir galiausiai, vyksta degimas, kuris įvyksta, kai kažkas, pavyzdžiui, mediena, oksiduojasi ir sudegina.
Gamtoje galimų cheminių reakcijų skaičius yra nepaprastai didelis. Jų yra daugiau nei milijardai – kadangi labai didelės molekulės turi tiek daug komponentų, galimų reakcijų skaičius yra didžiulis. Tai ypač pasakytina apie organinę chemiją, kur milijono atomų molekulės yra norma. Gyvybė įmanoma dėl daugybės galimų cheminių konfigūracijų, kurias gali pasiekti organinės molekulės.
Ypač organinėse medžiagose specialios molekulės, vadinamos fermentais, gali pagreitinti chemines reakcijas be jokių cheminių pokyčių. Kitas žodis yra katalizatorius. Be katalizinių fermentų kasdienė daugybės gyvybę sudarančių reakcijų kaskada truktų per ilgai, kad būtų praktiška. Automobiliuose katalizatoriai apdoroja variklio išmetamąsias dujas, kad jos būtų daug mažiau toksiškos, nei būtų kitu atveju. Labai svarbi chemikų užduotis yra nuodugniai suprasti katalizatorius.
Neįmanoma nuvertinti cheminių reakcijų svarbos pasaulyje, kuriame gyvename. Daugybė mokslo pažangos įvyksta, kai chemiją suprantame net šiek tiek daugiau. Ko gero, vienas svarbiausių žmogaus civilizacijai yra Haber-Bosch procesas – cheminė reakcija, kai azotas iš atmosferos suspaudžiamas ir perkaitintoje aplinkoje sujungiamas su kitomis cheminėmis medžiagomis, sukuriant dirbtines trąšas. Be jo negalėtume užsiauginti visų augalų, kuriais maitinamės patys, o pasaulio populiacija būtų kur kas mažesnė ir labiau alkana.