В начале XX в. появилось множество экспериментальных данных, объяснение которых оказалось невозможным с позиций классической химии. Это, например, спектры газообразных веществ, распределение интенсивности в спектрах излучения твердых тел, комптоновский эффект. Объяснение этих явлений привело к созданию новой области знаний. В свою очередь, точные квантово-механические расчеты свойств молекул привели к пересмотру основных концепций, принятых в химии для объяснения образования химических связей.

В настоящий момент квантовая химия позволяет отвечать на следующие вопросы: Какова равновесная геометрия молекулы? Какова ее энергия? Каковы ее характеристики (дипольный момент, поляризуемость)? С какой скоростью одна конформация может переходить в другую? Как зависят характеристики молекулы от времени? Как взаимодействуют несколько молекул между собой? Она также позволяет предсказать положение полос поглощения и люминесценции, спектры ЯМР и ЭПР, вид колебательных спектров поглощения и др.

В квантовой механике для любой системы может быть записано уравнение Шр.едингера (или Дирака в релятивистском случае), решение которого позволяет указать волновые функции системы, зная которые, можно, в свою очередь, вычислить любые параметры, характеризующие данное состояние. Однако аналитическое решение уравнений Шр.едингера оказывается невозможным уже для самых простых молекул. Поэтому квантовую химию зачастую называют вычислительной: она применяет различные математические подходы для численного решения уравнений, и требует больших вычислительных мощностей для реализации этих методов. Развитием современной компьютерной техники ограничивается распространение методов квантовой химии. Можно ожидать, что с ростом вычислительных мощностей размеры объектов, состояние которых можно рассчитать методами квантовой химии, будут расти.