Orgaaninen kemia on hiiliyhdisteiden kemiaa. Hiiliatomit voivat liittyä toisiinsa muodostaen pitkiä ketjuja. Ketjut voivat haaroittua, ja liittyä yhteen verkostoiksi. Hiilen muodostamia yhdisteitä tunnetaan enemmän kuin kaikkien muiden alkuaineiden muodostamia yhdisteitä yhteensä. Orgaaniset yhdisteet luokitellaan erilaisiin ryhmiin sidosten ja toiminnallisten eli funktionaalisten ryhmien mukaan. Toiminnalliset ryhmät ovat yleensä yhdisteen helpoimmin reagoivia osia ja siten yhdisteen tunnusryhmiä. On olemassa joitain hiilen epäorgaanisiksi luokiteltavia yhdisteitä, kuten hiilidioksidi (CO₂), hiilihappo (H₂CO₃) syanidit (HCN) ja karbidit (esim. SiC ja CaC₂).