Een chemische stof is een chemisch element of een chemische verbinding. Het is niet altijd eenvoudig een precieze definitie te geven van een chemische stof, hoezeer ook het begrip chemische stof een sleutelrol in de ontwikkeling van de chemie gespeeld heeft, en hoezeer het begrip om die redenen ook vandaag nog in het onderwijs onmisbaar is.
Wanneer een stof een moleculaire structuur heeft, liggen de zaken het eenvoudigste. Men bedoelt er dan een materiaal mee dat bestaat uit moleculen die allemaal dezelfde atoomopbouw bezitten. Wanneer er ook moleculen met een andere structuur aanwezig zijn spreekt men dan van een onzuiverheid of in extremere gevallen een mengsel. Mengsels kan men dan zien als samengesteld uit meerdere chemische stoffen.
Voor moleculaire chemische stoffen kan men stellen dat de elementen waaruit zij zijn opgebouwd altijd in een strikt vastliggende vaste verhouding (stoechiometrie) voorkomen.
Bij materie die niet is opgebouwd uit relatief kleine, goed gedefinieerde moleculen ligt het beduidend moeilijker. Polymeren zijn daar een goed voorbeeld van. Hoewel een polymeer als polyetheen gezien kan worden als een chemische stof, bestaat de stof vrijwel altijd uit een mengsel van moleculen die een variabele lengte hebben. Strikt genomen is polyetheen dus nooit een zuiver chemische stof, hoewel alle moleculen wel (behoudens de lengte) de zelfde basisstructuur hebben.
Bij vaste stoffen met een roosterstructuur wordt het nog ingewikkelder. In het geval van metaal-metaal verbindingen kan men vaak beter van fasen dan van verbindingen spreken. Hoewel er verschillende structuren te onderscheiden zijn van fase tot fase, is de elementverhouding van de fase vaak lang niet zo scherp bepaald als bij moleculaire vaste stoffen. Het wordt in dat geval een vrij subjectieve zaak wat men een 'zuivere' stof en wat een 'mengsel' noemt.
