Una diferencia importante entre la química teórica y la química experimental es que la química teórica se desarrolla a través de métodos matemáticos y computacionales usando conceptos de la física.
También son usados los métodos basados en la teoría de perturbaciones o cúmulos acoplados.
Para sistemas moleculares de gran tamaño se aplican los métodos semiempíricos que han tenido auge en años recientes.
La mecánica molecular forma parte de la química teórica, pero en este caso no se tiene el detalle del comportamiento de los electrones en sistemas moleculares, a cambio la interacción entre los átomos se toma en cuenta a través de potenciales modelo, también conocidos como campos de fuerza.
Es importante mencionar que la mecánica estadística es crucial dentro de los métodos teóricos ya que permite predecir efectos térmicos o valores promedio con el tiempo, los cuales son determinantes para el estudio de una reacción química.