Chemische Verbindungen sind Stoffe, die aus zwei oder mehr chemischen Elementen in definiertem stöchiometrischem Verhältnis bestehen und durch chemische Bindungen (kovalent, ionisch, metallisch oder gemischt) zusammengehalten werden. In der Werkstoffforschung bilden sie die fundamentale Ebene, auf der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen verstanden und gezielt gestaltet werden.

Eine zentrale Unterscheidung besteht zwischen molekularen Verbindungen (diskrete Moleküle, z. B. Polymere, organische Liganden) und nichtmolekularen Festkörpern, etwa ionischen Kristallen (NaCl), intermetallischen Phasen (Ni₃Al) oder keramischen Oxiden (Al₂O₃). Die Art der chemischen Bindung bestimmt maßgeblich mechanische (Härte, Elastizität), thermische (Schmelzpunkt, Wärmeleitfähigkeit), elektrische (Bandlücke, Leitfähigkeit) und chemische Eigenschaften (Korrosionsbeständigkeit, Reaktivität).

In anorganischen Festkörpern wird die Struktur chemischer Verbindungen durch Gittertypen, Koordinationszahlen, Defektchemie und mögliche Nichtstöchiometrien beschrieben. Solche Abweichungen von idealen stöchiometrischen Verhältnissen sind für Funktionswerkstoffe (z. B. Ionenleiter, Oxid-Halbleiter) oft entscheidend. In organischen und polymeren Systemen stehen dagegen Konformation, Taktizität und funktionelle Gruppen im Vordergrund.

Für das Design neuer Materialien werden chemische Verbindungen gezielt synthetisiert, dotiert oder in Form von Kompositen kombiniert. Moderne Methoden wie Hochdurchsatz-Synthese, ab initio-Berechnungen und Datenbanken kristallchemischer Verbindungen ermöglichen eine systematische Suche nach Verbindungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften, etwa für Katalyse, Energiespeicherung oder Strukturwerkstoffe.