כימיה תאורטית כוללת יצירת מודלים מתמטים ופיסקלים להבנת תהליכים בכימיה; למשל, ראקציות, התנהגות של חומרים במעברי פאזות, תכונות של חומרים (הולכה למשל).
כימיה תאורטית למעשה קשורה לפיזיקה תאורטית ולכן זהו תחום מדעי מהמאה ה-19.
מתחילת המאה ה 20, עם פיתוחה של משוואת שרדינגר והתאוריה הקוונטית להסבר אטומים, התפתחה מאוד ההבנה של אטומים ומולקולות וחומרים ברמה המיקרוסקופית, כמו כן הבנה של ריאקציות.
דוגמאות להישגיה של הכימיה התאורטית הם: נייטרינו ובוזון היגס, בוזונים ופרמיונים, ראקציות רדיקליות, כמו בפצצה גרעינית (דוגמאות אלו קשורות גם לפיזיקה תאורטית). כמו כן: קצב הראקציה של קרמר, הסבר הדיפוזיה הנורמלית של איינשטיין, תאוריה של פולמרים, תאורית מעברי הפאזות, רשתות (דוגמאות אלו קשורות גם לפיזיקה וביופיזיקה).
בשנים האחרונות חלק חשוב מהכימיה התאורטית עוסק בתחום הכימיה קוונטית (השימוש במכניקת הקוונטים בסוגיות בכימיה). ניתן לחלק באופן כללי את תחום זה למבנה אלקטרוני, דינמיקה ומכניקה סטטיסטית.
