Termin „przemiany” dotyczy zarówno reakcji chemicznych, jak i procesów fizycznych (obejmuje m.in. przemiany fazowe, np. parowanie, topnienie, przemiany polimorficzne, dyfuzję). Oprócz badań podstawowych chemia obejmuje opracowywanie procesów otrzymywania poszczególnych produktów (technologia chemiczna) oraz konstruowanie urządzeń, w których te procesy są prowadzone (inżynieria chemiczna). Badania chemiczne, polegające na obserwacji procesów zachodzących samorzutnie w przyrodzie oraz procesów przeprowadzanych w ściśle kontrolowanych warunkach, są podstawą uogólnień podawanych w postaci wzorów matematycznych, praw i teorii chemicznych, które następnie wykorzystuje się w procesach przekształcania substancji. Każdej przemianie chemicznej towarzyszą zjawiska fizyczne, np. pochłanianie i wydzielanie ciepła, energii elektrycznej, absorpcja lub emisja światła. Scharakteryzowanie właściwości substancji chemicznej wymaga stosowania metod fizycznych — dlatego też chemia jest dziedziną mocno związaną z fizyką, a granica między zakresami obu nauk jest niekiedy trudna do ścisłego określenia. Z chemią są bezpośrednio związane także m.in. geochemia, krystalochemia, biochemia, farmacja, chemia rolna.
W starożytnej Grecji powstały pierwsze, zrodzone z obserwacji przyrody (tzw. filozofia przyrody), koncepcje budowy materii; m.in. Empedokles z Akragas (V w. p.n.e.) uważał, że woda, powietrze, ziemia i ogień, zwane elementami (pierwiastkami, żywiołami), są pierwotnymi tworzywami ciał rzeczywistych (postaciami pramaterii), których wzajemne oddziaływanie prowadzi do powstawania wszystkich substancji; ogniowi Arystoteles przypisywał także rolę oczyszczania substancji (przenoszoną również na dusze ludzkie). Leukippos (V w. p.n.e.) i jego uczeń Demokryt z Abdery (V–IV w. p.n.e.) — twórcy atomistycznej koncepcji budowy materii — uważali, że elementarnymi składnikami materii są niepodzielne cząstki — atomy. Już w starożytności przeprowadzano niektóre procesy chemiczne, np. kilka tysięcy lat p.n.e. wytapiano metale z rud, znano metale: miedź, cynę, żelazo, ołów, srebro, złoto, rtęć i ich stopy, wyrabiano naczynia ceramiczne, barwiono tkaniny, prowadzono fermentację — otrzymywano napoje alkoholowe (wino, piwo), ocet (przez fermentację wina), dokonywano mumifikacji, rozwinięte było garbarstwo, warzelnictwo soli, stosowano leki pochodzenia mineralnego, roślinnego i zwierzęcego. Z I w. pochodzi dzieło Pliniusza Starszego Historia naturalis, zawierające opisy znanych wówczas substancji i metod ich otrzymywania. W VI–XI w. Arabowie rozwinęli alchemię, której początki sięgają prawdopodobnie starożytnej Grecji, Chin, Egiptu; były to, częściowo oparte na próbach doświadczalnych, dociekania mające na celu otrzymanie kamienia filozoficznego oraz tzw. eliksiru życia; próby te zaowocowały udoskonaleniem metod wyodrębniania i oczyszczania substancji; alchemicy otrzymali niektóre substancje chemiczne, jak kwasy mineralne (azotowy, siarkowy, solny), wodę królewską, związki rtęci, fosfor, antymon, bizmut i arsen. Do wybitnych alchemików arabskich należeli: Dżabir Ibn Hajjan, Ibn Sina (Awicenna), europejskich — m.in. Wincenty z Beauvais, Roger Bacon; wybitnym polskim alchemikiem był M. Sędziwój. W XVI w. zrodził się nowy prąd — jatrochemia. Jego twórcą był przyrodnik niemiecki Paracelsus, który uważał, iż głównym zadaniem jatrochemików jest otrzymywanie leków, wtedy do lecznictwa wprowadzono związki chemiczne (np. związki arsenu, rtęci).
Po raz pierwszy terminu „chymia” użył w swych pismach działający w IV w. n.e w Aleksandrii Zosimos z Panopolis. Początki chemii jako samodzielnej dyscypliny naukowej przypadają na 2. połowę XVII w.; za datę przełomową przyjmuje się rok 1661, kiedy
R. Boyle opublikował dzieło
The Sceptical Chymist, w którym określił pierwiastki chemiczne jako trwałe, proste substancje niedające się rozłożyć na składniki. W miarę rozwoju i rozszerzania się wiedzy chemicznej wyodrębniły się działy chemii: chemia ogólna, zajmująca się podstawowymi prawami chemicznymi; chemia nieorganiczna, obejmująca badania pierwiastków i ich związków zaliczanych do związków nieorganicznych; chemia organiczna, badająca związki organiczne — właściwościami i przemianami tych związków w organizmach żywych zajmuje się biochemia; wszystkimi związkami chemicznymi, które spełniają ważne funkcje w organizmach żywych, a nie są obiektem badań biochemii zajmuje się chemia bionieorganiczna; chemia fizyczna (fizykochemia), której domeną są badania zależności między właściwościami fizycznymi a strukturą substancji oraz badania zjawisk fizycznych towarzyszących reakcjom chemicznym; chemia analityczna, zajmująca się zagadnieniami związanymi z określaniem jakościowego i ilościowego składu substancji; chemia kwantowa, obejmująca teorię budowy atomu i cząsteczki, oddziaływań międzycząsteczkowych i procesów chemicznych, które bada wykorzystując metody mechaniki kwantowej; technologia chemiczna, zajmująca się opracowywaniem najlepszych pod względem technicznym i ekonomicznym (i bezpiecznych dla środowiska przyrodniczego) metod przemysłowych wytwarzania produktów chemicznych. Wyodrębniły się także takie działy, jak: chemia supramolekularna, chemia koordynacyjna, chemia koloidów, chemia ciała stałego, fotochemia, sonochemia, magnetochemia i inne.
Większość gałęzi chemii, które powstawały w miarę jej rozwoju, różniło się przede wszystkim stosowanymi metodami badawczymi. Cechą charakterystyczną obecnego stanu nauki jest badanie wzajemnych powiązań i wzajemnego wpływu różnych przemian, a zatem dążenie do możliwie wszechstronnego rozpatrywania konkretnych zjawisk. W badaniach naukowych traci więc sens rozdrabnianie ich na poszczególne gałęzie, a uczeni zajmują się problemami ogólniejszymi; należą do nich: 1) struktura ciał stałych, cieczy i roztworów, 2) struktura związków naturalnych, 3) mechanizmy reakcji zarówno w procesach przemysłowych, jak i biologicznych, 4) zjawiska na powierzchni styku różnych substancji, 5) chemiczne źródła energii, 6) synteza materiałów o żądanych właściwościach, 7) zwalczanie szkód ekologicznych i ochrona środowiska naturalnego. Równocześnie z rozwojem chemicznych badań podstawowych rozwija się światowy przemysł chemiczny. W 1991 Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych wprowadziła termin „zielona chemia” na określenie programów służących zapobieganiu skażeniom środowiska przyrodniczego; produkty i procesy chemiczne powinno się tak projektować (na poziomie molekularnym), by zredukować lub wyeliminować użycie i wytwarzanie substancji niebezpiecznych; celem zielonej chemii jest oszczędność materiałów i energii oraz redukcja niebezpieczeństwa i ryzyka, odpadów i kosztów produkcji.
