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  1925年和1926年,物理學家維爾納·海森伯和埃爾溫·薛定諤各自建立了矩陣力學和波動力學,標誌著量子力學的誕生,同時也為化學家提供了認識物質化學結構的新理論工具。1927年物理學家瓦爾特·海特勒和弗裡茨·倫敦將量子力學處理原子結構的方法應用於氫氣分子,成功地定量闡釋了兩個中性原子形成化學鍵的過程,他們的成功標誌著量子力學與化學的交叉學科——量子化學的誕生。  在海特勒和倫敦之後,化學家們也開始應用量子力學理論,並且在兩位物理學家對氫氣分子研究的基礎上建立了三套闡釋分子結構的理論。萊納斯·鮑林在最早的氫分子模型基礎上發展了價鍵理論,並且因為這一理論獲得了1954年度的諾貝爾化學獎;1928年,物理化學家羅伯特·S·馬利肯提出了最早的分子軌道理論,1931年,埃裡希·休克爾(E. Hückel)發展了馬利肯的分子軌道理論,並將其應用於對苯分子等共軛體系的處理;漢斯·貝特於1931年提出了配位場理論並將其應用於過渡金屬元素在配位場中能級裂分狀況的理論研究,後來,配位場理論與分子軌道理論相結合發展出了現代配位場理論。價鍵理論、分子軌道理論以及配位場理論是量子化學描述分子結構的三大基礎理論。早期,由於計算手段非常有限,計算量相對較小,且較為直觀的價鍵理論在量子化學研究領域佔據著主導地位,1950年代之後,隨著計算機的出現和飛速發展,以及高斯函式的引進,海量計算已經是可以輕鬆完成的任務,分子軌道理論的優勢在這樣的背景下凸現出來,逐漸取代了價鍵理論的位置,目前在化學鍵理論中占主導地位。  1928年道格拉斯·哈特里提出了哈特里方程,方程將每一個電子都看作是在其餘的電子所提供的平均勢場中運動的,通過迭代法給出每一個電子的運動方程。1930年,弗拉基米爾·福克對哈特里方程補充了泡利原理,提出哈特里-福克方程,進一步完善了由哈特里發展的哈特里方程。為了求解哈特里-福克方程,1951年克萊門斯·C·J·羅特漢進一步提出將方程中的分子軌道用組成分子的原子軌道線性展開,發展出了著名的RHF方程,這個方程以及在這個方程基礎上進一步發展的方法是現代量子化學處理問題的主要方法。  雖然量子力學以及量子化學的基本理論早在1930年代就已經基本成型,但是所涉及的多體薛定諤方程形式非常複雜,至今仍然沒有精確解法,而即便是近似解,所需要的計算量也是驚人的,例如:一個擁有100個電子的小分子體系,在求解RHF方程的過程中僅僅雙電子積分一項就有1億個之巨。這樣的計算顯然是人力所不能完成的,因而在此後的數十年中,量子化學進展緩慢,甚至為從事實驗的化學家所排斥。1953年美國的帕裡瑟(Parise)、帕爾(R. Parr)和英國的約翰·波普使用手搖計算器分別獨立地實現了對氮氣分子的RHF自洽場計算,雖然整個計算過程耗時整整兩年,但是這一成功向試驗化學家證明了量子化學理論確實可以準確地描述分子的結構和性質,並且為量子化學開啟了計算機時代的大門,因而這一計算結果有著劃時代的意義。  1952年日本化學家福井謙一提出了前線軌道理論,1965年美國有機化學家羅伯特·伯恩斯·伍德沃德和量子化學家羅阿爾德·霍夫曼聯手提出了有機反應中的分子軌道對稱守恆原理。福井、伍德瓦爾德和霍夫曼的理論使用簡單的模型,以簡單分子軌道理論為基礎,迴避那些高深的數學運算而以一種直觀的形式將量子化學理論應用於對化學反應的定性處理,通過他們的理論,實驗化學家得以直觀地窺探分子軌道波函式等抽象概念。福井和霍夫曼憑藉他們這一貢獻獲得了1981年度的諾貝爾化學獎。  在計算方法方面,隨著計算機的發展,量子化學計算方法也飛速發展,在1920年代至今的數十年內,湧現出了組態相互作用方法(CI)、多體微擾理論(MP)、密度泛函理論(DFT)以及數量眾多形式不一的旨在減少計算量的半經驗計算方法,由於量子化學家們的工作,現在已經有大量商用量子化學計算軟體出現,其中很多都能夠在普通PC機上實現化學精度的量化計算,昔日神祕的量子化學理論,已經成為化學家常用的理論工具。約翰·波普與瓦爾特·科恩分別因為發展首個普及的量子化學軟體(Gaussian)和提出密度泛函理論 (Density Functional Theory)而獲得1998年諾貝爾化學獎。2009年日本山口大學堀憲次教授和行政法人科技振興機構聯合成立過渡狀態科技公司,開拓量子化學於製藥業的實用商用化。

  

  通過計算不同分子結構的體系能量,量子化學方法可以找到分子勢能面上的能量最低點,從而確定分子在某一電子態的穩定構型

  化學反應的過程可以看做分子體系在勢能面上滑動的過程,通過量子化學的計算,可以找到勢能面上的“駐點”:處於最低點的反應物和產物以及處於鞍點的過渡態,對比所有可能的反應途徑極其相對應的反應活化能,可以找到最有可能的反應途徑。

  量子化學計算可以獲得分子體系的電子波函式,通過這些電子波函式可以求算偶極矩、極化率等分子性質的計算,但是由於數學方法的侷限,量子化學計算方法只能從上方逼近真實的分子體系能量,是一種近似計算,雖然能量的計算可以獲得較好的結果,但是獲得的電子波函式質量卻很差,因而分子性質計算的精度遠遠不及分子體系能量的計算。另一方面改進量子化學計算方法以獲得質量更好的電子波函式也是量子化學家目前面臨的挑戰之一。
量子化學是應用量子力學的規律和方法來研究化學問題的一門學科。將量子理論應用於原子體系還是分子體系是區分量子物理學與量子化學的標準之一。目前認為最早的量子化學計算是1927年布勞(Ø.Burrau)對離子以及同年瓦爾特·海特勒和弗裡茨·倫敦對H分子的計算,開創量子化學這一個交叉學科。經過近八十年發展之後,量子化學已經成為化學家們廣泛應用的一種理論方法。