在結構化學中，電子的發現所建立的現代有核原子模型不僅豐富和深化了對元素周期表的認識，而且發展了分子理論。量子力學在分子結構研究中的應用導致了量子化學的產生。
從研究氫的分子結構開始，化學鍵的本質逐漸被揭示，先後建立了價鍵理論、分子軌道理論和勢場理論。化學反應理論也深入到微觀領域。利用X射線發射作為研究物質結構的壹種新的分析方法，可以深入了解物質的晶體化學結構。確定化學三維結構的方法有X射線衍射法、電子衍射法和中子衍射法。其中，X射線衍射方法的應用積累了最多的精確分子立體結構信息。
研究物質結構的光譜方法也從可見光譜、紫外光譜、紅外光譜擴展到核磁共振譜、電子可選振動譜、光電子譜、X射線振動譜、穆斯堡爾譜。與計算機結合後，積累了大量與物質結構和性能相關的材料，正在從經驗向理論發展。隨著電子顯微鏡放大倍數的不斷提高，人們可以直接觀察到分子的結構。
由於放射性的發現，元素的經典理論發生了深刻的變化。從放射性衰變理論的建立、同位素的發現到人工核反應和核裂變的實現、氘、中子、正電子等基本粒子的發現，不僅人類的認識深入到亞原子層面，而且相應的實驗方法和理論也建立起來；它不僅實現了古代煉金術士改變元素的想法，也改變了人們的世界觀。
作為20世紀的標誌，人類開始掌握和利用核能。放射化學和核化學相繼出現並迅速發展。同位素地質學、同位素宇宙化學等交叉學科相繼誕生。元素周期表已經擴展到109元素，正在探索超重元素，以驗證元素的“穩定島假說”。依賴於現代宇宙學的元素起源理論和與進化論密切相關的核素測年都在不斷補充和更新元素的概念。
在化學反應理論方面，由於對分子結構和化學鍵認識的提高，經典和統計反應理論得到了進壹步深化。過渡態理論建立後，逐漸發展為微觀反應理論，用分子軌道理論研究微觀反應機理，逐漸建立了分子軌道對稱性守恒定律和前線軌道理論。隨著分子束、激光和等離子體技術的應用，對不穩定化學物種的探測和研究已經成為現實，因此化學動力學已經有可能從經典的和統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。
隨著計算機技術的發展，量子化學計算、化學統計、化學模式識別、分子的大規模技術處理與合成、電子結構和化學反應等方面取得了很大的進步，其中壹些已逐漸進入化學教育。關於催化的研究，提出了各種模型和理論，從無機催化到有機催化和蒙克催化，從分子微觀結構和大小的角度研究了酶的作用及其結構與功能的關系。
分析方法和手段是化學研究的基本方法和手段。壹方面，經典的成分和成分分析方法仍在不斷改進，分析靈敏度從常量發展到微量、超微量和痕量；另壹方面，在發展初期，許多新的分析方法可以深入到結構分析、構象測定、同位素測定、直接測定自由基、離子基團、卡賓、阿紮濱、西維因等各種活性中間體、檢測短命亞穩態分子。分離技術也在不斷創新，如離子交換、膜技術、色譜等。
合成各種物質是化學研究的目的之壹。在無機合成中，氨是先合成的。氨的合成不僅開創了無機合成工業，而且促進了催化化學，發展了化學熱力學和反應動力學。後來陸續合成了紅寶石、人工晶體、硼氫化物、金剛石、半導體、超導材料、二茂鐵等配位化合物。
在電子技術、核工業、航空航天技術等現代工業技術的推動下，各種超純物質、新化合物和特殊需要材料的生產技術得到了很大發展。稀有氣體化合物的成功合成對化學家提出了新的挑戰，有必要重新研究零族元素的化學性質。無機化學是在與有機化學、生物化學、物理化學等學科的相互滲透中產生的。
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。隨著20世紀30年代聚酰胺纖維的合成，聚合物的概念得到了廣泛的認可。後來，聚合物的合成、結構和性能研究及應用不斷地相互配合、相互促進，使高分子化學迅速發展。
各種高分子材料的合成和應用為現代工農業、交通運輸、醫療衛生、軍事技術以及人們的日常生活用品提供了各種性能優異、成本低廉的重要材料，成為現代物質文明的重要標誌。聚合物工業已經發展成為化學工業的重要支柱。
20世紀是有機合成的黃金時代。化學分離方法和結構分析方法取得了很大進展，許多天然有機化合物的結構問題得到了圓滿解決，許多新的重要有機反應和特定有機試劑被發現。在此基礎上，精細有機合成，尤其是不對稱合成取得了很大進展。
壹方面，合成了各種具有特殊結構和性質的有機化合物。另壹方面，合成了生命的基本物質，從不穩定的自由基到生物活性蛋白質和核酸。有機化學家還合成了結構復雜的天然有機化合物和具有特殊功效的藥物。這些成果對科學的發展起到了巨大的推動作用；為合成具有高生物活性的物質以及與其他學科合作解決生物物質的合成問題和前生物物質的化學問題提供了有利條件。
20世紀以來，化學的發展趨勢可以概括為:從宏觀到微觀，從定性到定量，從穩定到亞穩定，從經驗到理論，進而用於指導設計和創新研究。壹方面，為生產和技術部門提供盡可能多的新物質和新材料；另壹方面，在與其他自然科學相互滲透的過程中，新的學科不斷湧現，朝著探索生命科學和宇宙起源的方向發展。
化學學科分類
在化學的發展過程中，根據所研究的分子類型不同，研究方法、目的和任務不同，衍生出許多不同層次的分支。20世紀20年代以前，化學傳統上分為四個分支:無機化學、有機化學、物理化學和分析化學。自20世紀20年代以來，由於世界經濟的快速發展，電子理論和化學鍵量子力學的誕生，以及電子技術和計算機技術的興起，化學研究在理論和實驗技術上獲得了新的手段，導致了這門學科自30年代以來的迅速發展和嶄新面貌。目前化學內容壹般分為五大類，包括生物化學、有機化學、高分子化學、應用化學與化學工程、物理化學、無機化學，實際包括七個分支。
根據當今化學的發展及其與天文學、物理學、數學、生物學、醫學、地球科學等學科的相互滲透，化學可分類如下:
無機化學:元素化學、無機合成化學、無機固體化學、配位化學、生物無機化學、有機金屬化學等。
有機化學:天然有機化學、普通有機化學、有機合成化學、金屬和非金屬有機化學、材料有機化學、生物化學。
有機化學，有機分析化學。
物理化學:化學熱力學、結構化學、化學動力學和物理化學。
分析化學:化學分析、儀器和新技術分析。
高分子化學:天然高分子化學，高分子合成化學，高分子物理化學，高分子應用，高分子材料資源。
核化學核放射化學:放射性元素化學、放射性分析化學、放射化學、同位素化學、核化學。
生物化學:普通生物化學、酶、微生物化學、植物化學、免疫化學、發酵與生物工程、食品化學等。
其他與化學相關的前沿學科還有地球化學、海洋化學、大氣化學、環境化學、宇宙化學、星際化學等等。