Kemiallisia reaktioita tapahtuu aina, kun molekyylien välille muodostuu tai katkeaa sidoksia. Miksi tietyt atomit yhdistyvät muiden atomien kanssa, on monimutkainen kysymys, joka selitetään tyhjentävästi kvanttikemialla. Yksinkertainen versio on, että atomit sitoutuvat yhteen sähkömagneettisesti niiden elektronikuorien ominaisuuksien perusteella. On olemassa erilaisia kemiallisia sidoksia; yleensä mitä läheisemmin päällekkäin elektronikuoret ovat, sitä vahvempi sidos on. Kemialliset reaktiot tapahtuvat, kun lämpö, säteily ja/tai vieraat kemikaalit häiritsevät tasapainoa ja aiheuttavat kemiallisten sidosten katkeamisen ja/tai muodostumisen, jolloin syntyy uusia molekyylimuotoja.
Kemialliset reaktiot voidaan luokitella muutamiin luokkiin. Yksinkertaisin on luultavasti synteesi, jossa kaksi tai useampia molekyylejä tai atomeja yhdistyy uudeksi molekyyliksi. Esimerkiksi rauta ja happi muodostavat rautaoksidia tai ruostetta. Synteesin vastakohta on analyysi tai kemiallinen hajoaminen, jossa molekyyli hajoaa osiinsa. Tämä tapahtuu, kun veden elektrolyysi tuottaa happea ja vetykaasua. Korvaus, toinen kemiallisten reaktioiden lajike, tapahtuu, kun reaktiivisempi atomi tai molekyyli työntää osan toisesta molekyylistä ja ottaa paikkansa. Tämä tapahtuu aina, kun happo syö metallia. Ja lopuksi tapahtuu palaminen, joka tapahtuu, kun jotain puun kaltaista hapettuu ja poltetaan.
Mahdollisten kemiallisten reaktioiden määrä luonnossa on erittäin suuri. Niitä on yli miljardeja – koska erittäin suurissa molekyyleissä on niin paljon komponentteja, mahdollisten reaktioiden määrä on valtava. Tämä pätee erityisesti orgaaniseen kemiaan, jossa miljoonan atomin molekyylit ovat normi. Elämä on mahdollista, koska orgaanisilla molekyyleillä saavutetaan valtava määrä mahdollisia kemiallisia kokoonpanoja.
Erityisesti orgaanisissa aineissa erityiset molekyylit, joita kutsutaan entsyymeiksi, kykenevät nopeuttamaan kemiallisia reaktioita ilman kemiallisia muutoksia. Toinen sana tähän on katalyytti. Ilman katalyyttisiä entsyymejä lukuisten elämän muodostavien reaktioiden jokapäiväinen kaskadi kestää liian kauan ollakseen käytännöllinen. Autoissa katalysaattorit käsittelevät moottorin pakokaasua tehdäkseen siitä vähemmän myrkyllisen kuin muuten. Kemistien erittäin tärkeä tehtävä on ymmärtää katalyytit perusteellisesti.
On mahdotonta aliarvioida kemiallisten reaktioiden merkitystä maailmassa, jossa elämme. Lukuisia tieteellisiä saavutuksia syntyy, kun ymmärrämme edes vähän enemmän kemiasta. Ehkä yksi ihmisen sivilisaation tärkeimmistä on Haber-Bosch-prosessi-kemiallinen reaktio, jossa ilmakehän typpeä puristetaan ja yhdistetään muiden kemikaalien kanssa ylikuumennetussa ympäristössä keinotekoisen lannoitteen luomiseksi. Ilman sitä emme pystyisi kasvattamaan kaikkia kasveja, joita käytämme ruokkimiseksi, ja maailman väestö olisi paljon pienempi ja nälkäisempi.