19世紀初，建立了近代原子論，突出地強調(diào)了各種元素的原子的質(zhì)量為其最基本的特征，其中量的概念的引入，是與古代原子論的一個主要區(qū)別。近代原子論使當時的化學知識和理論得到了合理的解釋，成為說明化學現(xiàn)象的統(tǒng)一理論。分子假說提出了，建立了原子分子學說，為物質(zhì)結構的研究奠定了基礎。門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律后，不僅初步形成了無機化學的體系，并且與原子分子學說一起形成化學理論體系。
通過對礦物的分析，發(fā)現(xiàn)了許多新元素，加上對原子分子學說的實驗驗證，經(jīng)典性的化學分析方法也有了自己的體系。草酸和尿素的合成、原子價概念的產(chǎn)生、苯的六環(huán)結構和碳價鍵四面體等學說的創(chuàng)立、酒石酸拆分成旋光異構體，以及分子的不對稱性等等的發(fā)現(xiàn)，導致有機化學結構理論的建立，使人們對分子本質(zhì)的認識更加深入，并奠定了有機化學的基礎。
19世紀下半葉，熱力學等物理學理論以入化學之后，不僅澄清了化學平衡和反應速率的概念，而且可以定量地判斷化學反應中物質(zhì)轉化的方向和條件。相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學和化學動力學的理論基礎。物理化學的誕生，把化學從理論上提高到一個新的水平。
二十世紀的化學化學是一門建立在實驗基礎上的科學，實驗與理論一直是化學研究中相互依賴、彼此促進的兩個方面。進入20世紀以后，由于受到自然科學其他學科發(fā)展的影響，并廣泛地應用了當代科學的理論、技術和方法，化學在認識物質(zhì)的組成、結構、合成和測試等方面都有了長足的進展，而且在理論方面取得了許多重要成果。在無機化學、分析化學、有機化學和物理化學四大分支學科的基礎上產(chǎn)生了新的化學分支學科。
近代物理的理論和技術、數(shù)學方法及計算機技術在化學中的應用，對現(xiàn)代化學的發(fā)展起了很大的推動作用。19世紀末，電子、X射現(xiàn)和放射性的發(fā)現(xiàn)為化學在20世紀的重大進展創(chuàng)造了條件。
在結構化學方面，由于電子的發(fā)現(xiàn)開始并確立的現(xiàn)代的有核原子模型，不僅豐富和深化了對元素周期表的認識，而且發(fā)展了分子理論。應用量子力學研究分子結構，產(chǎn)生了量子化學。
從氫分子結構的研究開始，逐步揭示了化學鍵的本質(zhì)，先后創(chuàng)立了價鍵理論、分子軌道理論和佩位場理論�；瘜W反應理論也隨著深入到微觀境界。應用X射現(xiàn)作為研究物質(zhì)結構的新分析手段，可以洞察物質(zhì)的晶體化學結構。測定化學立體結構的衍射方法，有X射線衍射、電子衍射和中子衍射等方法。其中以X射線衍射法的應用所積累的精密分子立體結構信息最多。
研究物質(zhì)結構的譜學方法也由可見光譜、紫外光譜、紅外光譜擴展到核磁共振譜、電子自選共振譜、光電子能譜、射線共振光譜、穆斯堡爾譜等，與計算機聯(lián)用后，積累大量物質(zhì)結構與性能相關的資料，正由經(jīng)驗向理論發(fā)展。電子顯微鏡放大倍數(shù)不斷提高，人們以可直接觀察分子的結構。
經(jīng)典的元素學說由于放射性的發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生深刻的變革。從放射性衰變理論的創(chuàng)立、同位素的發(fā)現(xiàn)到人工核反應和核裂變的實現(xiàn)、氘的發(fā)現(xiàn)、中子和正電子及其它基本粒子的發(fā)現(xiàn)，不僅是人類的認識深入到亞原子層次，而且創(chuàng)立了相應的實驗方法和理論；不僅實現(xiàn)了古代煉丹家轉變元素的思想，而且改變了人的宇宙觀。
作為20世紀的時代標志，人類開始掌握和使用核能。放射化學和核化學等分支學科相繼產(chǎn)生，并迅速發(fā)展；同位素地質(zhì)學、同位素宇宙化學等交*學科接踵誕生。元素周期表擴充了，以有109號元素，并且正在探索超重元素以驗證元素“穩(wěn)定島假說”。與現(xiàn)代宇宙學相依存的元素起源學說和與演化學說密切相關的核素年齡測定等工作，都在不斷補充和更新元素的觀念。
在化學反應理論方面，由于對分子結構和化學鍵的認識的提高，經(jīng)典的、統(tǒng)計的反應理論以進一步深化，在過渡態(tài)理論建立后，逐漸向微觀的反應理論發(fā)展，用分子軌道理論研究微觀的反應機理，并逐漸建立了分子軌道對稱守恒定律和前線軌道理論。分子束、激光和等離子技術的應用，使得對不穩(wěn)定化學物種的檢測和研究成為現(xiàn)實，從而化學動力學已有可能從經(jīng)典的、統(tǒng)計的宏觀動力學深入到單個分子或原子水平的微觀反應動力學。
計算機技術的發(fā)展，使得分子、電子結構和化學反映的量子化學計算、化學統(tǒng)計、化學模式識別，以及大規(guī)模術技的處理和綜合等方面，都得到較大的進展，有的已經(jīng)逐步進入化學教育之中。關于催化作用的研究，以提出了各種模型和理論，從無機催化進入有機催化和僧物催化，開始從分子微觀結構和尺寸的角度核生物物理有機化學的角度，來研究酶類的作用和酶類的結構與其功能的關系。
分析方法和手段是化學研究的基本方法和手段。一方面，經(jīng)典的成分和組成分析方法仍在不斷改進，分析靈敏度從常量發(fā)展到微量、超微量、痕量；另一方面，發(fā)展初許多新的分析方法，可深入到進行結構分析，構象測定，同位素測定，各種活潑中間體如自由基、離子基、卡賓、氮賓、卡拜等的直接測定，以及對短壽命亞穩(wěn)態(tài)分子的檢測等。分離技術也不斷革新，離子交換、膜技術、色譜法等等。
合成各種物質(zhì)，是化學研究的目的之一。在無機合成方面，首先合成的是氨。氨的合成不僅開創(chuàng)了無機合成工業(yè)，而且?guī)恿舜呋瘜W，發(fā)展了化學熱力學和反應動力學。后來相繼合成的有紅寶石、人造水晶、硼氫化合物、金剛石、半導體、超導材料和二茂鐵等配位化合物。
在電子技術、核工業(yè)、航天技術等現(xiàn)代工業(yè)技術的推動下，各種超純物質(zhì)、新型化合物和特殊需要的材料的生產(chǎn)技術都得到了較大發(fā)展。稀有氣體化合物的合成成功又向化學家提出了新的挑戰(zhàn)，需要對零族元素的化學性質(zhì)重新加以研究。無機化學在與有機化學、生物化學、物理化學等學科相互滲透中產(chǎn)生了有機金屬化學、生物無機化學、無機固體化學等新興學科。
酚醛樹脂的合成，開辟了高分子科學領域。20世紀30年代聚酰胺纖維的合成，使高分子的概念得到廣泛的確認。后來，高分子的合成、結構和性能研究、應用三方面保持互相配合和促進，使高分子化學得以迅速發(fā)展。
各種高分子材料合成和應用，為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事技術，以及人們衣食住行各方面，提供了多種性能優(yōu)異而成本較低的重要材料，成為現(xiàn)代物質(zhì)文明的重要標志。高分子工業(yè)發(fā)展為化學工業(yè)的重要支柱。
20世紀是有機合成的黃金時代。化學的分離手段和結構分析方法已經(jīng)有了很大發(fā)展，許多天然有機化合物的結構問題紛紛獲得圓滿解決，還發(fā)現(xiàn)了許多新的重要的有機反應和專一性有機試劑，在此基礎上，精細有機合成，特別是在不對稱合成方面取得了很大進展。
一方面，合成了各種有特種結構和特種性能的有機化合物；另一方面，合成了從不穩(wěn)定的自由基到有生物活性的蛋白質(zhì)、核酸等生命基礎物質(zhì)。有機化學家還合成了有復雜結構的天然有機化合物和有特效的藥物。這些成就對促進科學的發(fā)展起了巨大的作用；為合成有高度生物活性的物質(zhì)，并與其他學科協(xié)同解決有生命物質(zhì)的合成問題及解決前生命物質(zhì)的化學問題等，提供了有利的條件。
20世紀以來，化學發(fā)展的趨勢可以歸納為：有宏觀向微觀、有定性向定量、有穩(wěn)定態(tài)向亞穩(wěn)定態(tài)發(fā)展，由經(jīng)驗逐漸上升到理論，再用于指導設計和開創(chuàng)新的研究。一方面，為生產(chǎn)和技術部門提供盡可能多的新物質(zhì)、新材料；另一方面，在與其它自然科學相互滲透的進程中不斷產(chǎn)生新學科，并向探索生命科學和宇宙起源的方向發(fā)展。
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