理論化學是一門利用數學與物理來模擬化學系統的學問。和其他偏重實驗與經驗的化學學門像是有機化學有很大的不同。研究理論化學的科學家通常不做實驗，大部分都在設計計算方法以算出他們感興趣的問題，所以比較偏向軟體工程師的工作型態，不過除非是真的要開發計算軟體，不然程式設計大多僅是輔助，任何能達到目標的方法都是好方法，可以說是最不「化學」的一門化學學門。
在我們日常肉眼可視的環境中（巨觀下），描述一個物體通常可以用一個木塊（質點）或數個木塊所形成的集合或系統來描述，除巨觀物理量外（質量、速度）通常無需進一步說明質點的內部細節，質點間的交互作用可以完全用牛頓力學描述。然而，在原子尺度的微觀世界中卻不是這麼一回事。自二十世紀初以來，科學家不斷發現小粒子的怪奇現象，幾個重要的像是光電效應（光有類似物質的行為）、電子的繞射（物質有像光波的行為）等。前者造就了「量子 （quantum）」 一詞，因為光可以被描述為可定「量」的粒「子」，而與後者的結合建立了波粒二相性（wave-particle duality）的基本概念。亦即，波動是粒子，粒子也是波動，這些現象導致微觀中的粒子很難用我們在巨觀上的經驗模型來比擬，是一個無人所熟知的新世界。
既然粒子也有波動的成分，所以微觀下的粒子通常會用「波函數（wave function）」描述之，因為我們可以透過波函數的組合來方便「切換」波或是粒子的模式以計算出感興趣的物理量，而理論化學對於化學物質的描述便是以波函數為基礎去計算物質性質與化學現象。例如，上圖為含時間項的薛丁格方程式（Schrödinger equation），是理論化學中相當重要的方程式。說明物理量可以透過對波函數（Ψ(t)）的數學操作求得。
