理論化學泛指采用數學方法來表述化學問題，而計算化學作為理論化學的壹個分支，常特指那些可以用電腦程序實現的數學方法。計算化學並不追求完美無缺或者分毫不差，因為只有很少的化學體系可以進行精確計算。不過，幾乎所有種類的化學問題都可以並且已經采用近似的算法來表述。
理論上講，對任何分子都可以采用相當精確的理論方法進行計算。很多計算軟件中也已經包括了這些精確的方法，但由於這些方法的計算量隨電子數的增加成指數或更快的速度增長，所以他們只能應用於很小的分子。對更大的體系，往往需要采取其他壹些更大程度近似的方法，以在計算量和結果的精確度之間尋求平衡。
計算化學主要應用已有的電腦程序和方法對特定的化學問題進行研究。而算法和電腦程序的開發則由理論化學家和理論物理學家完成。計算化學在研究原子和分子性質、化學反應途徑等問題時，常側重於解決以下兩個方面的問題：
為合成實驗預測起始條件
研究化學反應機理、解釋反應現象
計算化學的子學科主要包括：
原子和分子的計算機表述
利用計算機協助存儲和搜索化學信息數據 （參見化學數據庫）
研究化學結構與性質之間的關系 （參見定量構效關系(QSAR)及定量構性關系(QSPR)）
根據對作用力模擬對化學結構進行理論闡釋
計算機輔助化合物合成
計算機輔助特性分子設計（例如計算機輔助藥物設計）
關於某理論與計算化學創新組的介紹：
理論與計算化學在基礎和應用研究中都扮演著重要的角色，是物理學、材料科學、化學和生命科學研究中的壹個重要手段。借助高性能計算機，理論化學家可以在不借助任何經驗參數的情況下，從第壹原理出發獲得小分子體系結構和動力學的詳細信息，這些信息不僅可以直接和實驗相印證，而且可以從微觀的角度對實驗現象進行分析和解釋。理論化學還可以對多達十萬個原子的生物大分子體系進行計算機模擬，獲得關於結構和動力學的定性或半定量信息，從而為解釋生命活動本質、新型藥物開發提供關鍵數據。
本小組主要研究反向為量子反應動力學、分子光譜和量子化學相關的基礎理論和應用研究. 具體研究興趣包括:
1） 多原子體系量子反應動力學的理論、算法和計算程序；
2 ) 量子化學理論和計算方法;
3） 分子間弱相互作用的勢能面和分子光譜理論研究；
4） 多原子體系的勢能面構造。
本小組的研究工作也包括采用分子動力學模擬和量子力學方法研究蛋白質分子的動力學和反應機理：
1） 藥物分子與生物分子相互作用；
2） 酶催化反應機理；
3） 富勒烯及其與生物分子相互作用。
計算材料學（Computational Materials Science），是材料科學與計算機科學的交叉學科，是壹門正在快速發展的新興學科，是關於材料組成、結構、性能、服役性能的計算機模擬與設計的學科，是材料科學研究裏的“計算機實驗”。它涉及材料、物理、計算機、數學、化學等多門學科。計算材料學主要包括兩個方面的內容：壹方面是計算模擬，即從實驗數據出發，通過建立數學模型及數值計算，模擬實際過程；另壹方面是材料的計算機設計，即直接通過理論模型和計算，預測或設計材料結構與性能。前者使材料研究不是停留在實驗結果和定性的討論上，而是使特定材料體系的實驗結果上升為壹般的、定量的理論，後者則使材料的研究與開發更具方向性、前瞻性，有助於原始性創新，可以大大提高研究效率。因此，計算材料學是連接材料學理論與實驗的橋梁。
材料的組成、結構、性能、服役性能是材料研究的四大要素，傳統的材料研究以實驗室研究為主，是壹門實驗科學。但是，隨著對材料性能的要求不斷的提高，材料學研究對象的空間尺度在不斷變小，只對微米級的顯微結構進行研究不能揭示材料性能的本質，納米結構、原子像已成為材料研究的內容，對功能材料甚至要研究到電子層次。因此，材料研究越來越依賴於高端的測試技術，研究難度和成本也越來越高。另外，服役性能在材料研究中越來越受到重視，服役性能的研究就是要研究材料與服役環境的相互作用及其對材料性能的影響。隨著材料應用環境的日益復雜化，材料服役性能的實驗室研究也變得越來越困難。總之，僅僅依靠實驗室的實驗來進行材料研究已難以滿足現代新材料研究和發展的要求。然而計算機模擬技術可以根據有關的基本理論，在計算機虛擬環境下從納觀、微觀、介觀、宏觀尺度對材料進行多層次研究，也可以模擬超高溫、超高壓等極端環境下的材料服役性能，模擬材料在服役條件下的性能演變規律、失效機理，進而實現材料服役性能的改善和材料設計。因此，在現代材料學領域中，計算機“實驗”已成為與實驗室的實驗具有同樣重要地位的研究手段，而且隨著計算材料學的不斷發展，它的作用會越來越大。
計算材料學的發展是與計算機科學與技術的迅猛發展密切相關的。從前，即便使用大型計算機也極為困難的壹些材料計算，如材料的量子力學計算等，現在使用微機就能夠完成，由此可以預見，將來計算材料學必將有更加迅速的發展。另外，隨著計算材料學的不斷進步與成熟，材料的計算機模擬與設計已不僅僅是材料物理以及材料計算理論學家的熱門研究課題，更將成為壹般材料研究人員的壹個重要研究工具。由於模型與算法的成熟，通用軟件的出現，使得材料計算的廣泛應用成為現實。因此，計算材料學基礎知識的掌握已成為現代材料工作者必備的技能之壹。
計算材料學涉及材料的各個方面，如不同層次的結構、各種性能等等，因此，有很多相應的計算方法。在進行材料計算時，首先要根據所要計算的對象、條件、要求等因素選擇適當的方法。要想做好選擇，必須了解材料計算方法的分類。目前，主要有兩種分類方法：壹是按理論模型和方法分類，二是按材料計算的特征空間尺寸(Characteristic space scale)分類。材料的性能在很大程度上取決於材料的微結構，材料的用途不同，決定其性能的微結構尺度會有很大的差別。例如，對結構材料來說，影響其力學性能的結構尺度在微米以上，而對於電、光、磁等功能材料來說可能要小到納米，甚至是電子結構。因此，計算材料學的研究對象的特征空間尺度從埃到米。時間是計算材料學的另壹個重要的參量。對於不同的研究對象或計算方法，材料計算的時間尺度可從10-15秒（如分子動力學方法等）到年（如對於腐蝕、蠕變、疲勞等的模擬）。對於具有不同特征空間、時間尺度的研究對象，均有相應的材料計算方法。
目前常用的計算方法包括第壹原理從頭計算法，分子動力學方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。
鋼鐵研究總院功能材料研究所計算材料科學研究室簡介
計算材料科學研究室是壹個在科研水平和人員構成上都具有壹定實力的研究實體。該研究室成立於1986年，是國內最早開展材料微觀結構與宏觀物性相關機制研究的單位之壹。主要從事金 屬材料中缺陷體系原子結構、電子結構以及聲子譜的研究，探索材料微觀結構與宏觀物性的相關機制及跨越模式，為材料設計提供 理論依據。在中科院院土王崇愚先生的帶領下，先後承擔十幾項國家自然科學基金委員會資助的項目以及多項冶金部重點課題，在國 內外權威刊物上發表論文數十篇，並於1994年獲冶金工業部科技進步(理論成果)壹等獎。現承擔國家重點基礎研究發展規劃項 目(973)壹項，和國家自然科學基金三項。該實驗室在發展中不斷壯大，已培養碩士、博士數十人，並不斷地吸收新鮮血液，擴充 研究領域，增強競爭實力，保持所從事研究領域的國際先進水平。與此同時，大力開展國際及國內合作，已與美國西北大學、俄羅斯Tomsk強度物理與材料科學研究所、香港大學、清華大學、中科院沈陽金屬研究所等單位建立起了長期合作關系。