מציאת שיטה בה יוכלו להפוך מתכות זולות לזהב, היוותה אבן שואבת עבור רבים, כיוון שהרווח הצפוי היה עצום. החומר המסתורי שהיה צפוי לעזור בכך, היה חומר המופק או מופרש מאבן החכמים. ניסיונות אלו היוו את הבסיס לאלכימיה. לאלכימיה היו שתי מטרות עיקריות: הפיכת מתכות פשוטות לזהב ומציאת תרופה אחת שתרפא את כל המחלות וכל השותה ממנה יזכה לנעורי נצח. האלכימיה הייתה שילוב של כימיה, פיזיקה, מיסטיקה ודת. הישגה העיקרי של האלכימיה היה מציאת חומרים חדשים ויצירת טכניקות וכלים חדשים לשימוש מדעי, כיוון שלא אבן החכמים ולא "תרופת העל" נמצאו מעולם.
הישגי האלכימיה.
הישגיה של האלכימיה רבים מספור: הכנת מאות חומרים חדשים כחומצה חנקתית וחומצה גופרתית ויצירת כלים ושיטות חדשות להפקת חומרים כדוגמת אמבט מרים ומתקני זיקוק. מעל כל אלה עומד הישגה המשמעותי ביותר של האלכימיה: יצירת בסיס למסגרת שיטתית לסיווג תופעות כימיות, וליצירת מאגר ידע ראשוני שאפשר את יצירת הכימיה של ימינו.
בעיות שעלו בתקופת האלכימיה.
התקדמות האלכימיה יצרה אמנם חומרים חדשים וטכניקות חדשות ליצירת תגובות בין חומרים, אך השיטות בהן עסקו האלכימאים האטו את התקדמות הכימיה ממספר סיבות. ראשית, לא הייתה שיטה מסודרת למתן שמות לחומרים (נומנקלטורה). שנית, המונחים ויחידות המידה לא הוגדרו על ידי אף גורם אחיד, ומשמעותם הייתה שונה ממקום למקום.
בנוסף, הקשו מאוד העדרם של שיטה מדעית ותיעוד ראוי. אמנם, אלכימאים רבים תיעדו את הניסויים שערכו, ואף תיעדו מידע שאינו רלוונטי כדוגמת מצב הירח או הגאות, אך תיעוד זה לא איפשר חזרה על ניסויים, מאבני היסוד של השיטה המדעית. השפה העמומה חסרת המונחים המוגדרים בה השתמשו חלק מהאלכימאים שימשה יותר להסתרת הישגיהם והסוואת כישלונותיהם מאשר לדיווח מדעי. מהמאה הארבע עשרה לערך, תיעוד הניסיונות נעשה ברור יותר, כיוון שאלכימאים רבים החלו להטיל ספק בקיומה של אבן החכמים, ולכן נוצר צורך שאחרים יוכלו לחזור על הניסוי.
מאלכימיה לכימיה.
כימאים ראשונים.
בעולם הערבי, בעיקר בבצרה ובבגדאד, עסקו תחילה מדענים מוסלמים רבים בתרגום העבודה שנעשתה ביוון העתיקה לערבית. לאחר מכן, החלו הכימאים המוסלמים מגיעים להישגים מתקדמים יותר מאשר באירופה. ג'אבר בן חיאן היה כימאי ואלכימאי מוסלמי בן המאה התשיעית. ג'אבר החיל שיטה מסודרת וניסיונית של חקירה במעבדה, שכללה הסקת מסקנות, בניגוד ליוונים והמצרים, שעבודתם כללה ניחושים רבים וניסיונות שאינם בהכרח קשורים זה לזה. לזכותו נזקפים הישגים רבים כדוגמת יצירת תרופות שונות וכלים חדשים, הבחנה בין חומצות לבסיסים ועוד.
בין הכימאים המוסלמים הראויים לציון נמצאים ג'עפר א-צאדק אבן ח'לדון, אבן סינא ואחרים אשר סירבו לעסוק באלכימיה ובתאוריות המאפשרות מעבר בין מתכות שונות בטענה שהן מופרכות. כימאים אחרים תיארו גרסאות מוקדמות של חוק שימור המסה כאשר הן מציינים כי חומר יכול להשתנות אך לא להיעלם. אל-ראזי הפריך את טענותיו של אריסטו בדבר ארבעת היסודות ויצר סט של כללים לניסויים. במעבדתו הוא יצר יותר מעשרים כלים, ביניהם כור היתוך, כלים שונים לזיקוק ותנורים שונים המשמשים, בצורה כזו או אחרת, עד ימינו.
באירופה התנהלה האלכימיה בתחילה כמרדף לשיחזור ההישגים של הכימאים המוסלמים: שימוש בארצות מוסלמיות לשעבר כדוגמת ספרד ותרגומים מהערבית ללטינית אפשרו את התקדמות הכימיה באירופה. עם הזמן, החלו הכימאים האירופאים עולים על עמיתיהם המוסלמים. פאראצלסוס דחה את תאוריית ארבעת היסודות ועם הבנה מעורפלת בלבד בכימיקלים ותרופות יצר מדע המשלב כימיה ורפואה. עם זאת עבודתו של פאראצלסוס לא הייתה מדויקת ומסודרת: באחד מניסיונותיו ליצור תרכובות חדשות על ידי יצירת תגובה בין כספית וגופרית יצר, את מה שכינה "שמן של גופרית". למעשה היה זה דיאתיל אתר, חומר שאינו מכיל גופרית ואינו מכיל כספית כלל.
הניסיונות הראשונים להפקת מתכות מעפרות וניקוי המתכות שהתקבלו היוו מקור רחב היקף לכימאים, ביניהם גאורגיוס אגריקולה, שבודד את הביסמוט ופרסם את עבודתו הגדולה, "על המתכות" (De Re Metallica), בשנת 1556. גישתו למחקר הפיגה את המיסטיקה ויצרה בסיס מעשי המאפשר לאחרים להתקדם בניסויים אחרים. מחקרו הציג סוגים שונים של כבשנים להתכת עפרות ועורר עניין בנושא המינרלים והמחצבים. ספרו מסתמך רבות על ספרו של פליניוס הזקן, והקשר ביניהם מובהק.
בשנת 1605, פרנסיס בייקון פרסם את ספרו (The Proficience and Advancement of Learning) המכיל תיאור למה שיקרא לימים השיטה המדעית. המדען הצרפתי ז'אן בגן פרסם את ספרו Tyrocinium Chymicum, (בתרגום חופשי "כימיה למתחילים" או "מקראת יסוד בכימיה") ספר לימוד בסיסי בכימיה בו מופיעה המשוואה הכימית הראשונה.
סוף המאה השמונה עשרה ותחילת המאה התשע עשרה היו פרק זמן פורה לגילויים חשובים בכימיה:
רוברט בויל נחשב כמי שיצר את הכימיה המודרנית וגרם להבדלתה והרחקתה מהאלכימיה.בעיני רבים, נחשב בויל לאבי הכימיה המודרנית. בשנת 1661 פרסם בויל את ספרו "הכימאי הספקן". בספר מפורסם ופורץ דרך זה בויל דורש שהכימיה תחדל להיות כפופה לרפואה או לאלכימיה כפי שהייתה עד אז, ושתקבל מעמד של מדע בפני עצמו. זו בעצם הפעם הראשונה שהכימיה זוכה למעמד של מדע. בספרו הוא מנסה לפתח מודל עבור התאוריה האטומית, מודל בעל הצלחה מסוימת, אך שלימים יוכח כשגוי.
בויל השתייך לאסכולה האטומיסטית, אך העדיף את המינוח גופיף (corpuscle) על המונח אטום. הגדרת הגופיף לפי בויל הייתה החלוקה הקטנה האפשרית בה שומר החומר על תכונותיו. על שמו של בויל קרוי חוק בויל. למרות כל הצלחותיו אלה, מי שנושא בתואר "אבי הכימיה המודרנית" הוא אנטואן לבואזיה שלזכותו נזקפים גילוי חוק שימור החומר בשנת 1789. עם גילויו של חוק זה, הכימיה הפכה למדע מדויק וכמותי, המאפשר חזרות על ניסויים וקיום תחזיות בניסויים שטרם נערכו.
בשנת 1754, הצליח ג'וזף בלק לבודד את הפחמן הדו-חמצני, לו קרא "אוויר קבוע".
קרל וילהלם שלה וג'וזף פריסטלי הצליחו, כל אחד בנפרד, לבודד את החמצן והבינו כי הוא קשור באופן ישיר לבעירה: שלה כינה אותו "אוויר אש". שמו הלועזי של החמצן ניתן לו על ידי לבואזיה.
ג'ון דלטון גילה את חוק המתכונות הקבועות בשנת 1803. החוק, הקובע כי יסודות (שיגיבו ביניהם) תמיד יגיבו ביחסים שלמים וקטנים על מנת ליצור תרכובות, הוביל לשינוי תפישתי ביחס להבנה של תגובות בין יסודות והתרכובות שהם נותנים.
בשנת 1800 בנה אלסנדרו וולטה את הסוללה הכימית הראשונה וייסד למעשה את ענף האלקטרוכימיה.
בשנת 1803 הציע דלטון את מודל דלטון המתאר את יחסי הגומלין בין גזים בתערובת והשפעתם על הלחץ הכללי בכלי.
הבנתם של חוקי דלטון קידמה את המחקר בגזים ואפשרה הבנה נרחבת יותר בשינוי מצבי צבירה, חוקי התרמודינמיקה והתנהגות הגזים.
בשנות העשרים והשלושים של המאה ה-19 קידם מייקל פאראדיי מהותית את האלקטרוכימיה. הוא טבע מושגים רבים, ניסח את חוק פאראדיי ואת משוואת פאראדיי המקשרת בין הכימיה לחשמל (בין מולים למטען או זרם). למעשה בשיתוף עם עבודתם של אלסנדרו וולטה ולואיג'י גלווני נוצרה האפשרות להשתמש בחשמל למחקר כימי איכותי וכמותי.
אנטואן לבואזייה.
למרות ניסויים רבים שנערכו במזרח התיכון (בבבל, פרס ובמצרים העתיקה), שגשוגה של הכימיה המודרנית נבע רבות מעבודתו של מי שנחשב כ"אבי הכימיה המודרנית", אנטואן לבואזיה. לבואזיה, כימאי צרפתי בן המאה ה-18, ידוע בעיקר בשל עבודתו בנושאי הגזים, ניסוחו של חוק שימור המסה, החלפתה של תאוריית הפלוגיסטון (חומר הנמצא בכל החומרים והוא אחראי לבעירה), גילוי הרכב המים, ולניסוח המושג המהפכה הכימית. עוד הכניס לבואזיה שיטות עבודה המקפידות על ניקיון ויחסי הכמויות של המגיבים, שימוש בחומרים כימיים כדשנים ושיפור אבק השריפה.
לבואזיה היה אציל צרפתי, אשר מגיל צעיר עסק במדע ונבחר כבר בגיל 25 כחבר בהאקדמיה הצרפתית למדעים. בגיל 26 התקבל לעבודה כגובה מיסים. עבודתו זו, והשתייכותו לאליטה הצרפתית (שימש כמנהל בנק) גרמו לכך שהוצא להורג בעת המהפכה הצרפתית. בין הישגיו הרבים נמצאים גם ספרו "יסודות הכימיה" (Traité Élémentaire de Chimie) המהווה מבוא לכימיה אנליטית ופעולותיו לקידום השיטה המטרית בצרפת. לבואזיה הוא גם אביה של תאוריית הקלוריק, שקבעה כי חום הוא מעין נוזל, תאוריה שהופרכה במאה ה 19.
ויטליזם ולידת הכימיה האורגנית.
לאחר שהופרכה תאוריית הפלוגיסטון והוסברה הבעירה, נסובו הוויכוחים סביב נושא הויטליזם: האם ניתן להסביר את החיים לפי חוקי הכימיה או שמא יש כוח נסתר. תחילת המענה לשאלה זו ניתן בעזרת הצלחתו (שמקורה בטעות) של פרידריך ולר, המכונה "אבי הכימיה האורגנית" כיוון שהצליח ליצור תרכובת אורגנית במעבדה, השתנן. הצלחתו של ולר, שמקורה בטעות כיוון שניסה להפיק ציאניד, הוכיחה כי ניתן ליצור חומרים אורגנים מיסודות ומחומרים אי אורגניים, תגובות שלא נעשו עד אז. הצלחה זו בשנת 1828 פתחה תחום חדש בכימיה, ועד סיום המאה התשע עשרה הצליחו כימאים ברחבי העולם לסנתז מאות תרכובות אורגניות שכללו צבענים ותרופות, כדוגמת אספירין שהופק מחומצה סליצילית.
דיונים באטומיזם לאחר לבואזיה.
במהלך המאה התשע עשרה, עולם הכימיה נהה אחר שתי גישות: גישת המצדדים בתורה האטומית שמובילה היה ג'ון דלטון. וגישת המסרבים לקבלה, כדוגמת וילהלם אוסטוולד וארנסט מאך. למרות שמדענים כאמדאו אבוגדרו ולודביג בולצמן עשו התקדמות רבה בחקירת גזים, הוויכוח לא הוכרע למעשה עד לניסוייו של ז'אן פרין, שהוכיח את הסבריו של אלברט איינשטיין בנושא התנועה הבראונית בעשור הראשון של המאה העשרים.