化学的这一方面有时被称为数学化学。理论化学的很大一部分可以被归类为计算化学，虽然计算化学通常指的是理论化学的具体应用并设计一些近似处理，例如一些后哈特里-福克类型的方法，密度泛函理论， 半经验方法 (如PM3) 或 各种力场方法。有些化学理论家应用统计力学提供了联系量子世界的微观现象和体系大块物质的宏观性质的桥梁。理论上解决化学问题可以追溯到化学发展的早期，但直到奥地利物理学家埃尔温·薛定谔导出薛定谔方程之前，可用的理论工具相当粗糙，并有很大猜测性质。现在，基于量子力学的复杂得多的方法已很普遍。