Orgaaninen kemia määritellään yksinkertaisimmin hiiliyhdisteiden kemiaksi. Hiili on välttämätön alkuaine elämälle. Elävät organismit koostuvat orgaanisista yhdisteistä ja nämä taas ovat muodostuneet hiilen lisäksi vedystä, typestä ja hapesta. Myös muita elämälle välttämättömiä alkuaineita (mm. rikkiä, fosforia, natriumia, kaliumia ja rautaa) esiintyy orgaanisissa yhdisteissä. Hiiliyhdisteitä kutsutaan orgaanisiksi, koska niiden kuviteltiin syntyvän vain elävissä organismeissa. Vuonna 1828 Friedrich Wöhler valmisti ureaa lyijysyanaatista ja osoitti, että orgaanisia yhdisteitä voidaan valmistaa epäorgaanisista kemikaaleista.

 

Kemiallisia yhdisteitä tunnetaan jo yli 70 miljoonaa, ja orgaanisten yhdisteiden osuus näistä on yli 95%. Hiiliyhdisteiden monilukuisuus johtuu hiilen ainutlaatuisesta kyvystä muodostaa isomeerejä eli orgaanisella aineella saattaa olla sama molekyylikaava, mutta erilainen rakenne. Esimerkiksi 20 hiilen ketju voidaan järjestää yli 300 000 eri tavalla, jolloin saadaan eri tavoin haarautuneita hiilivetyjä ja rengasrakenteita. Hiilen ainutlaatuiset ominaisuudet mahdollistavat monimutkaisten orgaanisten yhdisteiden olemassaolon, joiden välillä tapahtuvat reaktiot ylläpitävät elämää. Orgaanisia yhdisteitä ovat esimerkiksi yksinkertaiset yhden hiiliatomin sisältävät hiiliyhdisteet kuten metaani ja hiilidioksidi, monimutkaiset useita hiiliatomeja sisältävät yhdisteet kuten lääkeaineet, vitamiinit, hormonit ja tuhansia jopa miljoonia hiiliatomeja sisältävät makromolekyylit kuten proteiinit ja DNA.