Ni la filosofía ni la alquimia, la protociencia química, fueron capaces de explicar verazmente la naturaleza de la materia y sus transformaciones. Sin embargo, a base de realizar experimentos y registrar sus resultados los alquimistas establecieron los cimientos para la química moderna. El punto de inflexión hacia la química moderna se produjo en 1661 con la obra de Robert Boyle, The Sceptical Chymist: or Chymico-Physical Doubts & Paradoxes (El químico escéptico: o las dudas y paradojas quimio-físicas), donde se separa claramente la química de la alquimia, abogando por la introducción del método científico en los experimentos químicos. Se considera que la química alcanzó el rango de ciencia de pleno derecho con las investigaciones de Antoine Lavoisier y su esposa Marie Anne Pierrette Paulze, en las que basó su ley de conservación de la materia, entre otros descubrimientos que asentaron los pilares fundamentales de la química. A partir del siglo XVIII la química adquiere definitivamente las características de una ciencia experimental moderna. Se desarrollaron métodos de medición más precisos que permitieron un mejor conocimiento de los fenómenos y se desterraron creencias no demostradas.

La historia de la química se entrelaza con la historia de la física, como en la teoría atómica y en particular con la termodinámica, desde sus inicios con el propio Lavoisier, y especialmente a través de la obra de Willard Gibbs.¹

En 1913, Niels Bohr desarrolló un nuevo modelo del átomo. Propuso que los electrones están dispuestos en órbitas circulares concéntricas alrededor del núcleo. Este modelo está basado en el sistema solar y se conoce como el modelo planetario.

En 1926, Erwin Schrödinger, un físico austríaco, llevó el modelo atómico de Bohr un paso más allá. Este modelo atómico es conocido como el modelo mecánico cuántico. A diferencia del modelo de Bohr, este modelo no define la ruta exacta de un electrón, sino que predice las probabilidades de la ubicación del electrón. Este modelo se puede representar como un núcleo rodeado por una subparticula. Dónde la nube es más densa, la probabilidad de encontrar electrones mayor y, a la inversa, es menos probable que el electrón esté en un área menos densa de la nube.

Hasta 1932, se creía que el átomo estaba compuesto por un núcleo cargado positivamente rodeado de electrones cargados negativamente. James Chadwick interpretó está radiación como compuesta de partículas con una carga eléctrica neutra y la masa aproximada de un protón. Está partícula se conoció como el neutrón. Con el descubrimiento de esta nube de electrones, un modelo más adecuado del átomo se puso a disposición de los científicos.

Thomson probó que el electrón era una partícula más ligera que cualquier elemento conocido y constituyente de todos los átomos; lo que demostraba que estos no eran indivisibles. Este descubrimiento supuso uno de los hitos de la revolución de la ciencia de finales del siglo XIX que desembocó en una nueva concepción de la estructura de la materia y su interacción con la energía.

La existencia del electrón había sido predicha por numerosos investigadores y fue propuesta como la unidad de carga en electroquímica por G. Johnstone Stoney (1826-1911), que también propuso el nombre “electrón” en 1881.

Thomson hizo el descubrimiento en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, del que era director; y donde junto a Ernest Rutherford (1871-1937) creó una gran escuela de física experimental. Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906 por el descubrimiento del electrón.

Después, el químico dispuso la representación de los elementos de la misma familia en agrupaciones horizontales. Mendeléyev consiguió además prever las propiedades químicas de tres de los elementos que faltaban a partir de las propiedades de los cuatro elementos vecinos.

La tabla periódica fue creada para organizar las series químicas conocidas dentro de un esquema coherente. La distribución de los elementos proviene de la idea de que los elementos de un grupo poseen la misma configuración electrónica en su capa más externa. El comportamiento químico está principalmente dictado por las interacciones de estos electrones de la última capa. Por tanto, los elementos de un mismo grupo tienen similares propiedades físicas y químicas.

Sin embargo, aunque la clasificación de Mendeléyev marca un claro progreso, contenía ciertos errores de la época en cuanto a determinación de masa atómica. La actual tabla periódica es una versión modificada de la de Mendeléyev. Se apoya en las aportaciones realizadas con posterioridad por el químico suizo Alfred Werner.

En la actualidad, la mayoría de niños en los Estados Unidos viven vidas mucho más saludables y los padres viven con mucho menos ansiedad y preocupación por las infecciones de la infancia. Aún así las vacunas son un desarrollo relativamente reciente. Hace apenas más de 200 años en el Reino Unido, Edward Jenner observó que algunas mujeres que ordeñaban vacas parecían estar protegidas de la viruela si ya habían sido infectadas por el virus mucho menos peligroso que ocasionaba la viruela bovina. En 1796, Jenner realizó un experimento, raspando el brazo de un niño de 8 años llamado James Phipps con material de una llaga de la viruela bovina en una de estas mujeres que ordeñaban vacas. Luego repitió el mismo experimento, pero esta vez agregó una pequeña cantidad de viruela al mismo niño. Él esperaba que el procedimiento inmunizara al niño contra la mortal infección de la viruela. De hecho, lo hizo. El experimento de Jenner inició la era de las vacunas.

El siguiente avance importante ocurrió casi 100 años después cuando el Dr. Louis Pasteur, demostró que la enfermedad se podía evitar al infectar a los humanos con gérmenes debilitados. En 1885, el Dr. Pasteur utilizó una vacuna para prevenir con éxito la rabia en un niño llamado Joseph Meister que había sido mordido por un perro con rabia. Para la mitad del siglo 20, se había obtenido un progreso regular en las vacunas. El Dr. Jonas Salk y el Dr. Albert Sabin, lograron lo que se conoce como los avances más importantes, ellos desarrollaron la vacuna de poliomielitis inactiva y la vacuna de poliomielitis activa, respectivamente. Sus descubrimientos han salvado a un número incontable de niños en todo el mundo de la poliomielitis, una enfermedad que con frecuencia deja a los niños amarrados a una silla de ruedas o muletas de por vida.

En la actualidad, las vacunas son una de las historias de éxito de la medicina moderna. La viruela declaró erradicada del mundo en 1977. La poliomielitis se eliminó oficialmente de los Estados Unidos y del resto del hemisferio occidental en 1991. Mientras que se reportaban de 13,000 a 20,000 casos de poliomielitis cada año en los Estados Unidos antes de la disponibilidad de la vacuna, ¡no se reportó ningún caso en el año 2000! A pesar de que hubo 12,230 muertes a causa de la difteria en los Estados Unidos en 1921 (mucho antes de la disponibilidad de la vacuna), solo hubo 1 caso de difteria reportado en 1998.

La lista de enfermedades graves que se han erradicado o cuyas cifras se han reducido dramáticamente por las vacunas, continúa aumentando, desde las paperas hasta el sarampión, desde la rubéola hasta el tétano. 

Las principales áreas de investigación en química matemática incluyen la teoría de grafos aplicada a la química, que trata de la topología, por ejemplo, el estudio matemático de la isomería y el desarrollo de descriptores topológicos o índices que encuentran aplicación en las relación cuantitativa estructura-propiedad, y los aspectos químicos de la teoría de grupos, que encuentran aplicaciones en estereoquímica y química cuántica.

La historia del enfoque matemático en la química se remonta a finales del siglo XIX. Georg Helm publicó un tratado titulado "Los principios de Química matemática: la energética de los fenómenos químicos" en 1894.²​ Algunas de las publicaciones periódicas contemporáneas que están más especializadas en este campo son MATCH Communications in Mathematical and in Computer Chemistry, publicada por primera vez en 1975, y el Journal of Mathematical Chemistry, publicado por primera vez en 1987.

Los modelos básicos que emplea la química matemática son el grafo molecular y el índice topológico.

En 2005, la Academia Internacional de Química Matemática (International Academy of Mathematical Chemistry, IAMC) fue fundada en Dubrovnik (Croacia) por Milán Randic. En 2009, los miembros de la Academia eran 82 científicos de todo el mundo, entre los que se encuentran seis científicos galardonados con el Premio Nobel.