최신 이론 방법론과 분광학을 비롯한 새로운 현대적 실험 방법을 바탕으로 물질의 구조, 화학적 성질, 화학 반응 기작을 연구하는 학문이다. 서울대 화학부는 딥러닝을 비롯한 최신 이론 방법을 이용하여 단백질 구조 예측, 복잡계 화학반응 모사, 양자 동역학 연구를 진행하고 있으며, 실험분야에서는 라만 등을 이용하여 새로운 분자 이미징, 분광법, 및 단분자 분석 기술을 개발하여 그래핀, 전지 등을 포함한 나노 물질의 구조 및 전기적 성질을 규명하며, 유전자 가위, 비정형 단백질을 포함한 거대 생분자들의 구조 및 반응 등을 용액 및 세포 수준에서 연구하고 있다.