Le corps humain est composé d'éléments, dont les plus abondants sont l'oxygène (O), le carbone (C), l'hydrogène (H) et l'azote (N). Vous obtenez ces éléments à partir des aliments que vous mangez et de l'air que vous respirez. La plus petite unité d'un élément qui conserve toutes les propriétés de cet élément est un atome. Mais les atomes eux-mêmes contiennent de nombreuses particules subatomiques, dont les trois plus importantes sont les protons, les neutrons et les électrons. Ces particules ne varient pas en qualité d'un élément à l'autre ; ce qui donne à un élément son identification distinctive est plutôt la quantité de ses protons, appelée son numéro atomique. Les protons et les neutrons contribuent à la quasi-totalité de la masse d'un atome ; le nombre de protons et de neutrons est le nombre de masse d'un élément. Des versions plus lourdes et plus légères du même élément peuvent exister dans la nature parce que ces versions ont des nombres de neutrons différents. Les différentes versions d'un élément sont appelées isotopes.

La tendance d'un atome à être stable ou à réagir facilement avec d'autres atomes est largement due au comportement des électrons au sein de la couche électronique la plus externe de l'atome, appelée sa couche de valence. L'hélium, ainsi que les atomes plus grands ayant huit électrons dans leur couche de valence, sont peu susceptibles de participer à des réactions chimiques car ils sont stables. Tous les autres atomes ont tendance à accepter, donner ou partager des électrons dans un processus qui amène les électrons de leur couche de valence à huit (ou dans le cas de l'hydrogène, à deux).

À chaque instant de la vie, les atomes d'oxygène, de carbone, d'hydrogène et des autres éléments du corps humain établissent et rompent des liaisons chimiques. Les ions sont des atomes chargés qui se forment lorsqu'un atome donne ou accepte un ou plusieurs électrons chargés négativement. Les cations sont attirés par les anions (ions avec une charge négative). Cette attraction est appelée une liaison ionique. Dans les liaisons covalentes, les atomes participants ne perdent ni ne gagnent d'électrons, mais les partagent. Les molécules avec des liaisons covalentes non polaires sont électriquement équilibrées et ont une forme tridimensionnelle linéaire. Les molécules avec des liaisons covalentes polaires ont des « pôles » — des régions de charge faiblement positive et négative — et ont une forme tridimensionnelle triangulaire. Un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène forment des molécules d'eau au moyen de liaisons covalentes polaires. Les liaisons hydrogène relient les atomes d'hydrogène participant déjà à des liaisons covalentes polaires à des anions ou à des régions électronégatives d'autres molécules polaires. Les liaisons hydrogène relient les molécules d'eau, ce qui confère à l'eau des propriétés importantes pour les êtres vivants.

Les réactions chimiques, au cours desquelles des liaisons chimiques sont rompues et formées, nécessitent un investissement initial d'énergie. L'énergie cinétique, l'énergie de la matière en mouvement, alimente les collisions d'atomes, d'ions et de molécules qui sont nécessaires pour que leurs anciennes liaisons se rompent et que de nouvelles se forment. Toutes les molécules stockent de l'énergie potentielle, qui est libérée lorsque leurs liaisons sont rompues.

Quatre formes d'énergie essentielles au fonctionnement humain sont : l'énergie chimique, qui est stockée et libérée lorsque des liaisons chimiques sont formées et rompues ; l'énergie mécanique, qui alimente directement l'activité physique ; l'énergie radiante, émise sous forme d'ondes comme la lumière du soleil ; et l'énergie électrique, la puissance des électrons en mouvement.

Les réactions chimiques commencent avec des réactifs et se terminent par des produits. Les réactions de synthèse lient les réactifs ensemble, un processus qui nécessite de l'énergie, tandis que les réactions de décomposition rompent les liaisons au sein d'un réactif et libèrent ainsi de l'énergie. Dans les réactions d'échange, les liaisons sont à la fois rompues et formées, et l'énergie est échangée.

La vitesse à laquelle les réactions chimiques se produisent est influencée par plusieurs propriétés des réactifs : la température, la concentration et la pression, et la présence ou l'absence d'un catalyseur. Une enzyme est une protéine catalytique qui accélère les réactions chimiques dans le corps humain.

Les composés inorganiques essentiels au fonctionnement humain comprennent l'eau, les sels, les acides et les bases. Ces composés sont inorganiques ; c'est-à-dire qu'ils ne contiennent pas à la fois de l'hydrogène et du carbone. L'eau est un lubrifiant et un amortisseur, un puits de chaleur, un composant de mélanges liquides, un sous-produit des réactions de synthèse par déshydratation et un réactif dans les réactions d'hydrolyse. Les sels sont des composés qui, lorsqu'ils sont dissous dans l'eau, se dissocient en ions autres que H⁺ ou OH^–. En revanche, les acides libèrent H⁺ en solution, la rendant plus acide. Les bases acceptent H⁺, rendant ainsi la solution plus alcaline.

Le pH de toute solution est sa concentration relative en H⁺. Une solution avec un pH de 7 est neutre. Les solutions avec un pH inférieur à 7 sont des acides, et les solutions avec un pH supérieur à 7 sont des bases. Un changement d'un seul chiffre sur l'échelle de pH (par exemple, de 7 à 8) représente une augmentation ou une diminution d'un facteur dix de la concentration en H⁺. Chez un adulte en bonne santé, le pH du sang varie de 7,35 à 7,45. Les mécanismes de contrôle homéostatique importants pour maintenir le sang dans une plage de pH saine comprennent des substances chimiques appelées tampons, des acides faibles et des bases faibles libérés lorsque le pH du sang ou d'autres liquides corporels fluctue dans un sens ou dans l'autre en dehors de cette plage normale.

Les composés organiques essentiels au fonctionnement humain comprennent les glucides, les lipides, les protéines et les nucléotides. Ces composés sont dits organiques parce qu'ils contiennent à la fois du carbone et de l'hydrogène. Les atomes de carbone dans les composés organiques partagent facilement des électrons avec l'hydrogène et d'autres atomes, généralement l'oxygène, et parfois l'azote. Les atomes de carbone peuvent également se lier à un ou plusieurs groupes fonctionnels tels que les carboxyles, les hydroxyles, les aminos ou les phosphates. Les monomères sont des unités simples de composés organiques. Ils se lient par synthèse par déshydratation pour former des polymères, qui peuvent à leur tour être rompus par hydrolyse.

Les composés glucidiques fournissent un carburant corporel essentiel. Leurs formes structurelles comprennent les monosaccharides tels que le glucose, les disaccharides tels que le lactose, et les polysaccharides, y compris les amidons (polymères de glucose), le glycogène et les fibres. Toutes les cellules corporelles peuvent utiliser le glucose comme carburant. Il est converti via une réaction d'oxydoréduction en ATP.

Les lipides sont des composés hydrophobes qui fournissent du carburant corporel et sont des composants importants de nombreux composés biologiques. Les triglycérides sont les lipides les plus abondants dans le corps et sont composés d'un squelette de glycérol attaché à trois chaînes d'acides gras. Les phospholipides sont des composés composés d'un diglycéride avec un groupe phosphate attaché à la tête de la molécule. Le résultat est une molécule avec des régions polaires et non polaires. Les stéroïdes sont des lipides formés de quatre cycles hydrocarbonés. Le plus important est le cholestérol. Les prostaglandines sont des molécules de signalisation dérivées d'acides gras insaturés.

Les protéines sont des composants essentiels de tous les tissus corporels. Elles sont constituées de monomères appelés acides aminés, qui contiennent de l'azote, unis par des liaisons peptidiques. La forme des protéines est essentielle à leur fonction. La plupart des protéines corporelles sont globulaires. Un exemple est celui des enzymes, qui catalysent les réactions chimiques.

Les nucléotides sont des composés avec trois blocs de construction : un ou plusieurs groupes phosphate, un sucre pentose et une base azotée. L'ADN et l'ARN sont des acides nucléiques qui fonctionnent dans la synthèse des protéines. L'ATP est la molécule fondamentale de transfert d'énergie du corps. L'élimination ou l'ajout de phosphates libère ou investit de l'énergie.