Kai kurie cheminiai elementai gali sudaryti kelias skirtingas vienines medžiagas, vadinamas alotropinėmis atmainomis. Šios atmainos skiriasi savo fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis dėl skirtingo atomų skaičiaus molekulėje arba skirtingo jų išsidėstymo kristalinėje struktūroje. Pavyzdžiui, deguonis egzistuoja kaip deguonies molekulės (\(O_2\)) ir ozonas (\(O_3\)). Anglis turi alotropines atmainas: grafitą, grafeną ir deimantą. Siera ir fosforas taip pat pasižymi alotropija.

Deoksiribonukleorūgšties (DNR) struktūros nustatymas buvo vienas iš svarbiausių mokslo pasiekimų. DNR molekulė atsakinga už gyvųjų organizmų ląstelių funkcijas. Džeimsas Diujis Votsonas, Fransis Haris Komptonas Krikas ir Morisas Vilkinsas 1962 m. gavo Nobelio premiją už šį atradimą. Jie nustatė, iš kokių cheminių elementų atomų sudaryta DNR, kokie cheminiai ryšiai juos jungia ir kaip šie atomai išsidėsto erdvėje. Modeliuodami DNR struktūrą, Votsonas ir Krikas naudojo strypelius ir apkabas.

Izomerai yra junginiai, turintys tą pačią molekulinę formulę, bet skirtingą atomų išsidėstymą. Tai reiškia, kad jie sudaryti iš tų pačių atomų, bet atomai sujungti skirtinga tvarka arba išsidėstę erdvėje skirtingai. Chirališkumas yra savybė, kai objektas nesutampa su savo veidrodiniu atspindžiu (kaip kairė ir dešinė rankos). Chirališkos molekulės, vadinamos enantiomerais, turi skirtingą biologinį aktyvumą. Pavyzdžiui, saldiklis aspartamas ir jo enantiomeras (veidrodinis atspindys) turi skirtingus skonius: aspartamas yra saldus, o jo enantiomeras – kartus.

Cheminės medžiagos skirstomos į vienines ir sudėtines. Vieninės medžiagos sudarytos iš vieno tipo atomų (pvz., argonas (\(\text{Ar}\)), azotas (\(\text{N}_2\)), siera (\(\text{S}_8\))). Sudėtinės medžiagos, arba cheminiai junginiai, sudaryti iš dviejų ar daugiau skirtingų elementų atomų, sujungtų cheminiais ryšiais (pvz., vanduo (\(\text{H}_2\text{O}\)), anglies dioksidas (\(\text{CO}_2\)), natrio chloridas (\(\text{NaCl}\))). Taip pat egzistuoja mišiniai, kurie yra skirtingų medžiagų, nesujungtų cheminiais ryšiais, kombinacijos. Mišiniai gali būti vienalyčiai (homogeniniai), kai sudedamosios dalys tolygiai pasiskirsčiusios (pvz., oras), ir įvairialyčiai (heterogeniniai), kai sudedamosios dalys netolygiai pasiskirsčiusios (pvz., aliejus ir vanduo).

Molekulių sandara vaizduojama įvairiais modeliais, siekiant geriau suprasti atomų išsidėstymą ir ryšius tarp jų. Tūriniai modeliai atspindi atomų dydžių santykį ir molekulės erdvinę formą. Rutuliniai-strypiniai modeliai supaprastintai vaizduoja atomus kaip rutuliukus, o cheminius ryšius – kaip strypelius. Cheminių elementų atomai modeliuose žymimi skirtingomis spalvomis ir dydžiais (pvz., vandenilis – baltas, deguonis – raudonas, anglis – juodas).