有机化学是研究含碳化合物及其性质、结构、组成、反应和合成的学科。碳具有与其他碳原子（链化）以及与各种其他元素（氢、氧、氮、硫、磷和卤素）形成稳定共价键的独特能力，产生了数百万种已知的有机化合物。碳在生命系统和合成材料中的核心作用使得有机化学对于生物化学、制药、聚合物、农用化学品和材料科学至关重要。

碳的电子构型 (1s²2s²2p²) 使其能够采用决定分子几何形状的三种杂化状态。在sp3杂化中，四个等效轨道指向四面体的角（109.5°键角），如甲烷（CH₄）和烷烃。 sp² 杂化 产生三个 120° 共面轨道，其中一个未杂化的 p 轨道可用于 pi 键合，这是烯烃的特征。 sp 杂化 给出两个 180° 的线性轨道和两个未杂化的 p 轨道，在炔烃中发现。这种键合几何形状的多功能性支撑了有机分子的结构多样性。

官能团是分子内赋予特征化学反应性的特定原子基团。主要家族包括烷烃（C-C单键）、烯烃（C=C）、炔烃（C=C）、醇（-OH）、醚（C-O-C）、醛（-CHO）、酮（C=O）、羧酸（-COOH）、酯（-COOR）、胺（-NH2）和芳族化合物戒指。每个官能团都会发生可预测的反应，使化学家能够设计合成途径并预测产物结构。官能团的概念是有机化学的组织原理。

IUPAC 命名法提供了有机化合物命名的系统方法。该过程包括：（1）识别母链——包含主要官能团的最长连续碳链； (2) 对链进行编号，为官能团和取代基提供尽可能最低的位置； (3)按字母顺序命名取代基（烷基、卤素等）及其位置编号； (4) 指定官能团优先级 — 羧酸 > 酯 > 醛 > 酮 > 醇 > 胺 > 烯烃 > 炔烃 > 烷烃。该名称由前缀 + 父级 + 后缀组成，用连字符分隔数字，用逗号分隔数字。

异构现象——分子式相同但结构不同的化合物的存在——是有机化学的中心主题。 结构异构包括链异构（碳骨架不同）、位置异构（官能团位置不同）、官能团异构（官能团不同）。 立体异构涉及相同的连通性但不同的空间排列，分为几何异构（顺/反或E/Z）和旋光异构（手性、对映异构体、非对映异构体）。了解异构现象对于预测物理性质和生物活性至关重要。

有机化学的历史发展始于生命力理论（Berzelius，1807），该理论认为有机化合物只能由生物体产生。 Friedrich Wöhler 于 1828 年用氰酸铵合成尿素推翻了这一理论，并开创了有机合成化学。 19 世纪和 20 世纪见证了结构理论（Kekulé、Couper）、四面体碳原子（van ‘t Hoff、Le Bel）的阐明以及机械有机化学（Ingold、Robinson）的发展。如今，有机化学通过逆合成分析、有机金属化学以及日益复杂的天然产物和设计分子的合成不断扩展。