Selv etter betydelige fremskritt i syntese og karakterisering av polymerer, fikk man ikke en skikkelig forståelse av polymer molekylstruktur før på 1920-tallet. Før det trodde forskerne at polymerer var klynger av små molekyler (kalt kolloider) uten bestemt molekylvekt, holdt sammen av en ukjent kraft, et konsept som var kjent som assosiasjonsteorien. I 1922 foreslo Hermann Staudinger at polymerer besto av lange kjeder av atomer holdt sammen av kovalente bindinger, en idé som ikke ble akseptert på over ti år og som til slutt førte til at Staudinger ble tildelt nobelprisen i kjemi. Et viktig bidrag til syntetisk polymerforskning var gitt av de italienske kjemikerne Giulio Natta og Karl Ziegler som vant nobelprisen i kjemi i 1963 for utviklingen av Ziegler-Natta-katalysatoren. I påfølgende århundre har syntetiske polymermaterialer som nylon, polyetylen, teflon og silikon dannet basis for en hurtigvoksende polymerindustri.