I polimeri sono molecole costituite da una lunga catena ripetuta di unità più piccole chiamate monomeri. Hanno il peso molecolare più alto tra tutte le molecole e possono consistere di miliardi di atomi. Il DNA umano è un polimero con oltre 20 miliardi di atomi costituenti. Le proteine, costituite da amminoacidi, e molte altre molecole che compongono la vita sono polimeri. Sono la classe più ampia e diversificata di molecole conosciute e includono anche la plastica.
I monomeri sono molecole in genere di dimensioni di circa 4-10 atomi e sono reattivi in quanto si legano facilmente ad altri monomeri in un processo chiamato polimerizzazione. I polimeri e i loro processi di polimerizzazione sono così diversi che esistono diversi sistemi per classificarli. Un tipo importante è la polimerizzazione a condensazione, in cui le molecole che reagiscono rilasciano acqua come sottoprodotto. Questo è il mezzo con cui si formano tutte le proteine.
I polimeri non sono sempre catene diritte di monomeri ripetitivi regolari; a volte, sono costituiti da catene di lunghezza variabile, o anche catene che si diramano in più direzioni. I monomeri residui si trovano spesso insieme ai polimeri che creano, conferendo alle molecole proprietà aggiuntive. Per convincere i monomeri a legarsi insieme in determinate configurazioni è necessaria una varietà di catalizzatori, molecole secondarie che accelerano i tempi di reazione. I catalizzatori sono la base della maggior parte della produzione di polimeri sintetici.
Nella copolimerizzazione si formano catene che contengono due o più monomeri differenti. I polimeri più grandi e complessi tendono ad avere punti di fusione e resistenze alla trazione più elevati rispetto ad altri, a causa della ricchezza di forze intermolecolari che agiscono tra i loro costituenti. Alcune molecole sono così complesse che non possono essere facilmente identificate, quindi vengono impiegate tecniche come la diffusione di raggi X ad ampio angolo, la diffusione di raggi X a piccolo angolo e la diffusione di neutroni a piccolo angolo.
La maggior parte dei polimeri sono organici e utilizzano legami di carbonio come spina dorsale. Altri usano il silicio. A causa della loro grande diversità, ce ne sono molti che devono ancora essere scoperti, offrendo un campo fruttuoso per ulteriori ricerche e sviluppi.