Laskennallinen kemia ratkaisee kemiallisia ongelmia matematiikan ja tietokoneiden avulla. Käyttämällä tietokoneohjelmistoa kemistit voivat simuloida kokeellisia tuloksia ja löytää aineiden ominaisuuksia. Laskennallisen kemian ala auttaa tutkimaan asioita, joita muuten olisi vaikea tai kallis löytää molekyylien, atomien ja nanohiukkasten pienen luonteen vuoksi. Suuri osa kentästä perustuu Schrodingerin yhtälöön, jossa mallitetaan atomit ja molekyylit matematiikan avulla. Ab initio, semi-empiirinen ja molekyylimekaniikka ovat laskennallisen kemian menetelmiä, joita käytetään usein molekyylirakenteiden analysointiin.
Laskennallinen kemiaprosessi alkaa katsomalla teoriaa, kuten Electronic Structure Theory. Tämä auttaa määrittämään elektronien liikkeen molekyylin sisällä. Tässä vaiheessa matemaattisia yhtälöitä käyttäen voidaan laskujen perusteella perusjoukko määrittää. Nämä tiedot voidaan syöttää tietokoneohjelmistoon kuvaamaan esimerkiksi aaltofunktiota, jonka avulla voidaan luoda malleja muista molekyylin fysikaalisista ominaisuuksista. Kemistit voivat nähdä mallin molekyylin orbitaaleista, alkaa ennustaa koerakenteita ja tarkastella molekyylin energiaa.
Ab initio -toiminnon avulla kemistit voivat tarkastella aineen fysikaalisia ominaisuuksia ja käyttää Schrodinger -yhtälöä molekyylien fysikaalisten ominaisuuksien selvittämiseen. Tämä sisältää sellaisia asioita kuin molekyylien geometria, dipolimomentti ja reaktion energia. Värähtelytaajuudet, reaktionopeus ja vapaa energia voidaan myös löytää ab initio -toiminnolla. Koska näitä fyysisiä ominaisuuksia on äärimmäisen vaikea ratkaista, laskennallisten kemistien on yksinkertaistettava niitä tarpeeksi, jotta fyysiset ominaisuudet löytyvät ja ovat edelleen tarkkoja.
Molekyylimekaniikka on laskennallisen kemian menetelmä, jota käytetään biokemian kokeissa ja sovelluksissa. Tätä menetelmää voidaan käyttää suuremmissa rakenteissa, kuten entsyymeissä, ja se perustuu perinteiseen fysiikkaan, mutta se ei pysty laskemaan aineiden elektronisia ominaisuuksia. Laskennallisen kemian ala muuttuu jatkuvasti tekniikan kehittyessä ja uusia teorioita kehitettäessä.
Näiden tekniikoiden avulla kemistit voivat tutkia rakenteita, joita olisi lähes mahdotonta tarkastella muuten niiden erittäin pienen koon vuoksi. Atomeja pienempiä nanohiukkasia voidaan mallintaa käytettäväksi esimerkiksi elektroniikassa, räjähteissä ja lääketieteessä. Koska suuri osa laskennallisesta kemiasta perustuu tunnettujen ominaisuuksien mallintamiseen, näissä kokeissa on tilaa virheille. Siksi kemian ja tutkimuksen syventävä koulutus ja tietämys ovat välttämättömiä laskennallisen kemian parissa työskentelemiseksi.