一个酶每秒常常可以催化成千上万个底物分子的反应。这意味着酶必须能在不到一毫秒的时间内结合新的底物分子。但在细胞中，无论是酶还是它们的底物，数量都相对较少。它们如何能如此快速地相遇？
快速结合之所以可能，是因为由热能引起的分子运动在分子层面上极其迅速。分子运动大致可以分为三类：（1）分子从一个位置移动到另一个位置（平移运动）；（2）共价键连接的原子之间快速的往复运动（振动）；（3）旋转。这三种运动都会帮助相互作用的分子表面接触在一起。
分子运动速率可以通过多种光谱学方法测量。一个大的球状蛋白质不断地翻滚，每秒大约围绕其轴旋转一百万次。分子也在不断进行平移运动，这使它们能够通过“游走”高效地探索细胞内部空间——这一过程称为扩散。因此，细胞内的每个分子每秒都会与大量其他分子碰撞。当液体中的分子相互碰撞并反弹时，单个分子时而往这边走、时而往那边走，其轨迹就构成了一个随机游走。在这种游走中，分子从起点出发的平均净距离（直线距离）与时间的平方根成正比；也就是说，如果一个分子平均需要 1 秒走 1 μm，那么它走 2 μm 就需要 4 秒，走 10 μm 则需要 100 秒，依此类推。
细胞内部非常拥挤。然而，将荧光染料或其他带标记的分子注入细胞的实验表明，小有机分子在胞质这种水样胶状环境中扩散的速度几乎和在水中一样快。例如，一个小有机分子平均只需约 0.2 秒 就能扩散 10 μm。而典型动物细胞的直径大约是 15 μm，因此扩散是小分子在细胞内移动有限距离的高效方式。
蛋白质在细胞中也运动迅速。但因为酶的运动速度比底物慢，我们可以把它们看作是“静止”的。酶与底物的相遇速率取决于底物的浓度。例如，有些常见底物在细胞中的浓度约为 0.5 mM。纯水的浓度是 55.5 M，这意味着每 10⁵ 个水分子里才有一个底物分子。即便如此，每个酶分子的活性位点每秒仍会与该底物发生约 50 万次随机碰撞。（若底物浓度降低 10 倍，碰撞次数则降到 5 万次/秒，以此类推。）而当酶活性位点与其底物分子的匹配表面随机碰撞时，往往会立即形成一个 酶–底物复合物。此时，共价键的断裂或形成可以极快地发生。由此可见，当人们理解了分子的高速运动和反应后，酶催化的高反应速率就不再显得那么惊人了。
由非共价键结合在一起的两个分子也可以解离。它们之间的多重弱非共价键会持续存在，直到随机的热运动使两者分开。一般来说，酶与底物结合得越牢固，它们解离的速率就越慢。相反，如果两个碰撞的分子表面匹配度差，它们之间形成的非共价键就很少，结合能量与热运动相比微不足道。这种情况下，这两个分子会像结合时一样迅速解离，从而避免了错误和不需要的结合，比如酶与错误底物之间的结合。
