Krzem jest pierwiastkiem występującym w postaci wielu różnych związków chemicznych, a najpopularniejszym z nich jest tlenek krzemu(IV), będący głównym składnikiem piasku. Kwarc jest najczęściej spotykaną odmianą krystaliczną SiO2, ale występują też inne: kryształ górski (bezbarwny), opal (biały lub wielobarwny), agat (różne barwy), ametyst (fioletowy).
Konfiguracja elektronowa atomu krzemu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2.
Stopnie utlenienia krzemu w związkach: II, IV.
Krzem jest mało aktywny chemicznie. W temperaturze pokojowej reaguje z fluorem, w podwyższonej temperaturze – z tlenem.
Powstający w reakcji z fluorem fluorek krzemu(IV) jest gazem, natomiast otrzymywany w reakcji z tlenem tlenek krzemu(IV) to ciało stałe. Tlenek krzemu(IV) ma właściwości kwasowe. Nie reaguje z wodą, ale reaguje z zasadami.
Krzemiany można także otrzymać w wyniku stapiania tlenku krzemu(IV) z węglanami litowców, np.:
lub w wyniku roztwarzania tlenku krzemu(IV) w mocnych zasadach:
Jedynym kwasem, z którym reaguje tlenek krzemu(IV), jest kwas fluorowodorowy:
Krzem tworzy także nietrwałe kwasy krzemowe: kwas metakrzemowy H2SiO3 (zalecana nazwa: kwas trioksokrzemowy) oraz ortokrzemowy H4SiO4 (zalecana nazwa:kwas tetraoksokrzemowy). Kwas metakrzemowy, który jest białą, trudno rozpuszczalną substancją, powstaje w czasie reakcji metakrzemianów z mocnym kwasem, np. HCl lub w wyniku reakcji metakrzemianów w tlenkiem węgla(IV).
Wodne roztwory metakrzemianów sodu lub potasu nazywane są szkłem wodnym. Dodanie szkła wodnego do wody zawierającej kryształy innej soli, zwłaszcza zawierającej jony metali, takich jak kobalt, nikiel, żelazo, mangan, wapń czy miedź powoduje powstanie tzw. ogrodów wodnych, czyli barwnych osadów metakrzemianów metali, np.:
Krzem tworzy także związki z wodorem, tzw. silany, np. SiH4. Są to związki podobne do węglowodorów, ale cechują się odmiennymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi.
Inną grupą związków, w skład których wchodzi krzem, są silikony. Silikony to polimery złożone z łańcuchów węglowych i krzemowo-tlenowych. Mają zastosowanie praktyczne, np. jako powłoki ochronne lub wypełnienia implantów stosowanych w chirurgii plastycznej.