Aine muuttuu kemiallisesti, kun sen molekyylirakenne muuttuu joko lisäämällä aineeseen energiaa tai sekoittamalla kaksi ainetta keskenään. Kummassakin tapauksessa atomirakenteen kemialliset sidokset katkeavat ja kiinnittyvät uudelleen muodostaen toisen aineen. Uudella aineella on yleensä erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet kuin alkuperäisellä.
Kemiassa on kahdenlaisia muutoksia. Fysikaalinen muutos on, kun aineen muoto muuttuu, kuten veden normaalit faasimuutokset lämpötilan seurauksena. Kun lämpötila nousee veden jäätymispisteestä, se muuttuu veden kiinteästä muodosta, jäästä; nestemäiseen muotoon, vesi; kaasumaiseen muotoon, höyry.
Kemiallinen muutos tapahtuu, kun yksi aine muuttuu atomitasolla toiseksi aineeksi, ja kemialliset reaktiot voidaan luokitella neljään ryhmään. Synteesireaktio tapahtuu, kun kaksi tai useampia yksinkertaisia materiaaleja yhdistetään kolmannen, monimutkaisemman materiaalin muodostamiseksi. Hajoamisreaktio on monimutkaisemman aineen hajottaminen sen yksinkertaisiksi osiksi. Yksikorvausreaktioissa yksi elementti on korvannut toisen elementin monimutkaisemmassa materiaalissa uuden aineen luomiseksi. Kaksoiskorvausreaktiot ovat samanlaisia kuin kertakorvausreaktiot, vain kaksi elementtiä yhdessä materiaalissa korvaa kaksi elementtiä toisessa yhdisteessä lopullisen materiaalin valmistamiseksi.
Massi- ja energiansäästölakien mukaan massaa tai energiaa ei synny tai tuhoudu, vaan ne on muutettu eri tilaan. Siten kemialliset muutokset luokitellaan myös sen mukaan, mitä tapahtuu energialle reaktion seurauksena. Endotermiset reaktiot absorboivat energiaa, yleensä lämpöä tai sähköenergiaa. Eksotermiset reaktiot tuottavat energiaa, jolloin aine tuntuu kuumalta aineiden kemiallisista sidoksista tulevan energian seurauksena.
On useita tapoja kertoa, onko kemiallinen muutos tapahtunut. Aineen värin muutos voi merkitä kemiallista muutosta. Syksyn lehtien muuttuvat värit, ruosteen punaruskea ja omenanlihan ruskeutuminen ovat kaikki esimerkkejä kemiallisista muutoksista, jotka ilmenevät aineen värimuutoksista.
Aineen hajun muutos voi myös olla merkki siitä, että kemiallinen muutos on tapahtunut. Mätämunien rikkihaju ja pilaantuneen maidon haju ovat merkkejä munien ja maidon kemiallisista reaktioista. Vaikka haju on ehkä havaittavampi, muutoksesta voi olla myös muita näkyviä merkkejä.
Toisin kuin fysikaaliset muutokset, kemialliset muutokset ovat peruuttamattomia. Alumiinipurkin murskaaminen jalalla on fyysinen muutos. Teoreettisesti on mahdollista poistaa alumiiniin tehdyt kolhut ja rypyt ja palauttaa se alkuperäiseen tilaansa. Paperin palaminen on kemiallinen muutos. Kun se on poltettu, sitä ei voi polttaa.