Orgaaninen kemia tutkii hiiltä sisältävien yhdisteiden rakennetta, ominaisuuksia, koostumusta, reaktioita ja synteesiä. Se on tärkeä, koska hiilen kyky muodostaa stabiileja sidoksia monien alkuaineiden kanssa johtaa valtavaan yhdisteiden monimuotoisuuteen, joka on biologisten järjestelmien, lääketieteen ja materiaalitieteen perusta.

Hiili pystyy muodostamaan neljä kovalenttista sidosta, mikä mahdollistaa pitkien ketjujen, haarautuneiden rakenteiden ja renkaiden muodostamisen. Tämä tetravalenssi ja hiilen kyky ketjuuntua itsensä kanssa tekee siitä vertaansa vailla olevan monipuolisen alkuaineen orgaanisten molekyylien rakentamisessa.

Hybridisaatio kuvaa hiiliatomien orbitaalien uudelleenjärjestäytymistä, joka määrää molekyylin geometrian. Sp³-hybridisaatio tuottaa tetraedrisen geometrian, sp²-hybridisaatio trigonaalisen tasogeometrian ja sp-hybridisaatio lineaarisen geometrian. Nämä eri muodot vaikuttavat sidosten kulmiin ja molekyylin reaktiivisuuteen.

Alifaattiset yhdisteet koostuvat suorista tai haarautuneista hiiliketjuista ja ne jaetaan kolmeen pääryhmään: alkaanit sisältävät vain yksinkertaisia sidoksia, alkeenit sisältävät vähintään yhden kaksoissidoksen ja alkyynit sisältävät kolmoissidoksen. Tyydyttymättömyys lisääntyy siirryttäessä alkaaneista alkyyneihin.

Funktionaaliset ryhmät ovat tiettyjä atomiryhmiä molekyyleissä, jotka määrittävät niiden kemiallisen reaktiivisuuden ja ominaisuudet. Yleisiä funktionaalisia ryhmiä ovat hydroksyyliryhmä (-OH) alkoholeissa, karbonyyliryhmä (C=O) aldehydeissä ja ketoneissa sekä karboksyyliryhmä (-COOH) hapoissa. Ryhmän vaikutus on sama riippumatta molekyylin muusta rakenteesta.

Alkoholit luokitellaan sen mukaan, mihin hiiliatomiin hydroksyyliryhmä on kiinnittynyt: primäärisissä alkoholeissa -OH on yhteen hiileen kiinnittyneessä atomissa, sekundäärisissä kahdessa ja tertiäärisissä kolmessa. Alkoholit muodostavat vetysidoksia, mikä nostaa niiden kiehumispistettä verrattuna vastaavan molekyylipainon hiilivetyihin.

Alkaanit ovat tyydyttyneitä hiilivetyjä, joissa on vain yksinkertaisia C-C-sidoksia ja suurin mahdollinen vetyatomien määrä. Alkeenit ja alkyynit ovat tyydyttymättömiä hiilivetyjä: alkeenit sisältävät vähintään yhden kaksoissidoksen (C=C) ja alkyynit kolmoissidoksen (C≡C). Moninkertaiset sidokset tekevät molekyyleistä reaktiivisempia kuin alkaanit.

Aromaattiset yhdisteet sisältävät stabiileja rengasmaisia rakenteita, joissa pi-elektronit ovat delokalisoituneita. Tämä elektroneiden delokalisaatio eli aromaattisuus tekee renkaista poikkeuksellisen stabiileja verrattuna muihin tyydyttymättömiin rakenteisiin. Bentseeni on yleisin esimerkki, ja se toimii rakennuspalikkana lukuisille muille aromaattisille yhdisteille.