در اواخر قرن 17 میلادی، نیوتن قوانین مکانیک کلاسیک برای حرکت اجسام ماکروسکوپی را کشف کرد. در اوایل قرن بیستم میلادی فیزیکدانان دریافتند که حرکت ذرات کوچک مثل هسته‌ی اتم‌ها و الکترون‌ها را نمی‌توان با قوانین مکانیک کلاسیک توجیه کرد و از این رو توجیه حرکت این ذرات با مجموعه‌ای از قوانین به نام مکانیک کوانتوم انجام پذیرفت. شیمی کوانتوم قوانین مکانیک کوانتوم را در مسایل مربوط به شیمی مورد استفاده قرار می‌دهد. تاثیرات شیمی کوانتوم در تمامی زیرشاخه‌های شیمی محسوس است.

شیمی‌فیزیکدانان از شیمی‌کوانتوم (به همراه ترمودینامیک آماری) برای محاسبه‌ی خواص ترمودینامیکی گازها، توضیح طیف‌های مولکولی و نیز بدست آوردن تجربی برخی از خواص مولکول (مانند طول و زاویه پیوندها، ممان دوقطبی، تفاوت انرژی در صورتبندی‌های متفاوت و...) استفاده می‌کنند.

شیمی‌آلی دانان از این علم به منظور تعیین پایداری مولکول‌ها، محاسبه‌ي حد واسط واکنش‌ها، تحقیق مکانیزم انجام واکنش‌ها، پیشبینی خواص آروماتیکی ترکیبات و توجیه طیف‌های NMR استفاده می‌کنند.

شیمی‌تجزیه‌دانان به طور گسترده از روش‌های طیف‌بینی استفاده می‌کنند. فرکانس‌ها و شدت خطوط طیفی به سادگی می‌توانند با شیمی‌کوانتوم درک و توجیه شوند. موارد استفاده‌ی دیگر برای آن‌ها توضیح مکانیزم واکنش‌های الکتروشیمیایی است.

شیمی‌معدنی‌‌دان‌ها از نظریه‌ میدان لیگاند، و روش‌های تقریبی مکانیک کوانتوم برای توجیه خواص و انتقالات الکترونی در کمپلکس‌های فلزات واسطه استفاده می‌کنند.

هر چند که اندازه‌ی بزرگ مولکول‌های زیستی استفاده از محاسبات کوانتومی را برای آن‌ها دشوار می‌سازد اما زیست‌شیمی‌پیشه‌ها به طور روز افزون از مطالعات کوانتومی بهره‌ می‌برند. به خصوص در زمینه‌ی پیوند بین آنزیم و سوبسترا و حلال‌پوشی مولکول‌های زیستی.