La Mecánica Cuántica trata principalmente del estado de las partículas atómicas: electrones y núcleos de átomos y moléculas. La Química Cuántica constituye la aplicación de la Mecánica Cuántica a los problemas de la Química y, por lo tanto, consiste en un modelo matemático que describe satisfactoriamente el comportamiento de las partículas elementales antes citadas y, de igual forma, describe la estructura de átomos y moléculas y las interacciones que pueden darse entre ellos.
Esta nueva teoría, desarrollada durante el primer tercio del siglo XX, quedó pronto validada al explicar numerosos fenómenos tales como la emisión del cuerpo negro, el carácter cuantificado de la energía, el efecto fotoeléctrico, las líneas espectrales, la desintegración nuclear, la dualidad ondacorpúsculo, la difracción de partículas, etc.
La Química Cuántica resulta, pues, ser la única herramienta teórica válida para visualizar el universo de lo muy pequeño, aunque tiene la posibilidad de extrapolar los resultados obtenidos mediante su aplicación a los fenómenos macroscópicos.
La Química Cuántica se desenvuelve en el mundo en el que las unidades son el Angstrom y el electrón-Voltio, y en el que las partículas se encuentran en incesante movimiento, a velocidades tan extraordinariamente grandes que se hace imposible su localización, por lo que hay que recurrir a los conceptos de función de onda y nube de probabilidad, conceptos éstos desconocidos en los modelos clásicos.
La gran innovación de la Química Cuántica es la introducción de la ecuación de Schrödinger, que nos permite tener un nuevo modelo atómico. En un principio, esta ecuación era sólo aplicable, analíticamente, a unos pocos casos sencillos, pero recientemente ha sido posible su extensión a átomos complejos y todo tipo de moléculas, gracias a programas de ordenador basados en métodos de cálculo numérico.