화학계에서 일어나는 현상에 대하여 물리적 이론과 계산화학적 방법을 활용하여 분자 수준에서의 이해를 추구한다. 다루는 대상은 화학의 모든 영역 및 응집물질계, 생물리학, 재료과학 등 인접 학문분야를 포함한다. 고전적인 이론화학 영역에서는 화학계의 구조 및 동역학을 기술하기 위하여 양자역학 및 통계역학을 활용한다. 컴퓨터를 활용한 계산화학 분야는 크게 양자화학에 기반한 전자구조 계산법과 통계역학에 기반한 전산모사 방법으로 나눌 수 있으며, 최근 기계학습 방법론이 활용되고 있다. 서울대 화학부에서는 이러한 방법론들을 활용하여 연성 물질, 에너지 저장 물질, 단백질 구조 예측, 자기 조립체, 화학 반응 동역학, 비평형 통계역학 분야에 대한 이론 및 계산화학 연구가 활발히 진행 중이다.