グルコース（ブドウ糖）とフルクトース（果糖）は糖類の基本となる物質であり、どちらも分子式はC6H12O6。
グルコースは、酸素原子1つと炭素原子5つが環を作り、酸素原子の隣の炭素原子にCH2OH（メタノールの炭素原子が水素原子を失ったもの）、それ以外の枝に水素原子とヒドロキシル基がついたもの。酸素原子の隣のヒドロキシル基がついた炭素原子が1位、メタノールのついた炭素原子が6位の環状構造だが、両端にアルデヒド基とヒドロキシル基がついた形の直鎖グルコースの形も取る。ヘキソース（1分子に炭素原子を6つ持つ）かつアルドース（アルデヒド基を持つ）なので、分類としてはアルドヘキソースになる。なお、グルコースを酸化するとグルコン酸になる。
フルクトースは、6つの炭素原子が鎖を作り、1位と6位にCH2OH、3～5位に水素原子とヒドロキシル基がついて、2位がケトン基になったもの。直鎖グルコースの2位についている水素原子が1位の枝に移動したともいえる。環状をなす異性体もあり、酸素原子1つと炭素原子5つが環を作り、炭素原子3つにはヒドロキシル基、残り2つにはCH2OHがついた形になる。ヘキソース（1分子に炭素原子を6つ持つ）かつケトース（ケトン基を持つ）なので、分類としてはケトヘキソースになる。なお、酸化すると1～2位がグリコール酸、3～6位がエリトロン酸と別れ、グリコール酸をさらに酸化するとシュウ酸、シュウ酸を酸化すると二酸化炭素になる。
単糖（それ以上加水分解されない糖類）はすべて還元糖（アルドースまたはケトース）。
グルコースとフルクトースがグリコシド結合（エーテル結合の一種で、互いの持つヒドロキシル基が脱水により結びつく：R-OH + HO-R -> R-O-R + H2O）するとスクロース（ショ糖：砂糖の主原料）、グルコース2つがグリコシド結合するとマルトース（麦芽糖：水飴の主原料）になる。どちらも二糖類で分子式はC12H22O11。スクロースはスクラーゼ、マルトースはαグルコシダーゼまたは熱によって加水分解される。
単にオリゴ糖というと二糖類を含まずに言う場合があるが、三糖類や四糖類は天然にはあまり見られない。デンプンやグリコーゲンなどの多糖類と違って、そのままの形でも甘味を感じる（ものが多いはず）。
デンプン（スターチ）はグリコシド結合によってグルコースが重合してできた分子で、分子式は(C6H10O5)nである。
グルコース分子の1位と4位の炭素についているヒドロキシル基が結合してデンプンができるのだが、このとき個々のグルコースが裏返らないような結合をα結合、裏返るような結合をβ結合といって、デンプンができるのはα結合をした場合である（β1→4結合をするとセルロースになる）。
デンプンの中でも、α1→4結合がほとんどで直鎖に近いものをアミロース、α1→6結合が比較的多く混じり分岐が多いものをアミロペクチンといい、うるち米では8割程度、もち米では100％近くをアミロペクチンが占める。アミロペクチンよりさらに複雑に分岐したものはグリコーゲンと呼ばれる。アミロースは、水素結合によりグルコース分子6つ分で1巻きの螺旋構造をとる。
熱やアルカリによってデンプン分子の水素結合が崩れることを糊化（α化）といい、アミロースにおいては親水基であるヒドロキシル基が自由になって水溶性になる（アミロペクチンは熱水にも溶けない）。水溶き片栗粉であんかけを作るときの反応がこれ。
糊化と近い温度（存在する酵素の種類にもよるが、摂氏50～70度くらい）で一部のデンプン分子が加水分解（糖化）されてマルトースができる（結果として甘味が増す）。