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1895-1897年间，X射线，放射性和电子的发现，揭开了物理学革命的序幕。元素蜕变的发现、原子结构的阐明和量子力学的建立，从根本上改变了长期以来，特别是19世纪在化学领域中建立起来的一些基本概念，使原来仅是经验规律的元素周期律得到理论的解释，并促进了化学键理论的建立。X射线衍射法等新的实验手段直接推动了结构化学的发展。因此可以认为，紧接着物理学革命，化学也发生了一次革命。19世纪的化学以原子论为核心，化学研究主要以原子和分子这两个概念为基础。20世纪的化学，在很大程度上，主要通过电子在原子，分子中的分布和运动规律，更深刻地揭示物质的性质和化学变化。
化学作为一门专门研究各种分子及其变化的基础学科，从19世纪中叶开始逐渐渗入其它学科，例如建立了物理化学这一重要的边缘学科。进入20世纪后，这种相互渗透有了更迅速的发展，逐渐形成了诸如生物化学、地球化学、海洋化学、天体化学等边缘学科。这些边缘学科的发展，开辟了许多新的研究领域，丰富了化学的内容，也对其它学科的发展产生了深远的影响。近30年来，新兴的材料科学、环境科学都是以化学作为它们时基础之一。
化学的应用十分广泛，化学研究的成果直接促成化学工业的建立和发展。继19世纪下半叶有机合成工业的建立之后，农业化学的研究也直接推动了化肥和农药的研制和生产。特别是1913年合成氨工业生产的实现，开创了人工固氮的新纪元。20世纪30年代，高分子化学的建立，有力地促进了高分子合成材料工业的迅猛发展，开辟了材料生产的新领域。石油化学的研究进展，使石油不仅成为不可短缺的燃料，而且还是用途广泛的化工原料。总之在化学科学发展的推动下，化学工业在整个经济领域的地位日益重要，从60年代起，在世界各工业部门的发展速度上，化学工业一直名列前茅。
化学是研究分子的科学，而地球上的各种物质，包括人体各器官，都是由各种分子组成的。对于这些分子，已为人们所熟知的还为数不多，例如稀有元素，金属有机物，生物大分子等的研究都起步很晚，由此可见化学研究具有广阔美好的前景。
门捷列夫、迈尔提出的元素周期律，经科学实践的验证和补充，逐渐成为无机化学和分析化学发展的重要基础。但是周期律中存在的一些问题，例如各种元素的化学性质为什么会随原子量的增加而呈周期性变化？周期表中有几对元素的排列为什么不按原子量递增的顺序？等等，直到19世纪末仍是悬而未决的问题。
1879年发现的阴极射线，1887年光电效应的实验，特别是1897年汤姆逊用实验测定的电子的荷质比，都证明了电子存在于一切原子中。1895年X射线的发现和放射性现象的研究，都表明了原子核的存在。在这些实验事实面前，人们认识到原子并不是不可分，而是具有复杂的内部结构。
1911年，卢瑟福正式提出了原子的核模型，他设想原子有一个极小的核，而这核几乎集中了原子的全部质量，并带有z个阳电荷，另有z个带阴电荷的电子象行星围绕着太阳旋转一样围绕着原子核。过了两年，年仅26岁的莫斯莱进一步发现，各种元素的特征X射线的波长，其大小顺序恰好与元素在周期表中的顺序一致。他把元素的这种次序命名为元素的原子序数。卢瑟福曾根据粒子散射实验证明轻元素的核电荷数z恰好等于它在周期表上的序数。两个结论结合起来就使人们认识到，元素的原子序数恰好等于它的核电荷数。
原子序数的出现给元素周期律以新的含义：元素性质是其原子序数的周期函数，即决定元素化学性质的是原子序数，而不是原子量。原子序数的测定能更准确地确定元素在周期表中的位置，同时可以预测尚未发现的元素。
元素在周期表上的排列顺序是通过原子核电荷数的科学研究而解决的，元素化学性质为什么是原子序数的周期函数，则是通过对原子核外电子的排布和运动的深入研究而解答的。这首先要归功于玻尔的原子结构理论。
卢瑟福的原子模型认为核外电子沿椭圆形轨道或圆形轨道绕核运动，但是按经典的电磁理论，当电子因运动速度变化而发射电磁波后，其能量就会不断降低，运动轨道半径会一步步减小，电子最终将掉在原子核上。这与实验观察到的现象是矛盾的。因而卢瑟福的原子模型具有很大缺陷。
1913年，丹麦物理学家玻尔综合了普朗克的量子力学（旧量子论）、爱因斯坦的光子理论及卢瑟福的原子模型，提出了他的原子结构理论：电子绕核运转，在一定轨道上的电子具有一定能量，这称为定态，原于有许多定态，而且这些定态是不连续的。当电子从一个定态跃到另一定态时，会放出或吸收能量即发出电磁波，其频率由两定态的能量差所决定。玻尔的理论实际上描述出原子核外的电子结构，为了规定电子在原子核外可能存在的定态，科学家又引入了四个人为的量子化条件。
根据这四个量子数，和奥地利物理学家泡利1925年提出的不相容原理（在同一原子中，不能有两个电子处于同一量子状态。）及能量最低原理（为保持原子的稳定性，电子总是先占据最低的能态），就可以确定各种元素原子核外的电子排布。再从各元素的电子排布及其分层能量来看，原子最外层的电子数目达到8个时最为稳定，而且不能超过8个。最外层电子的状况基本上决定了元素的化学性质，这一层的电子我们通常把它称为价电子。价电子的数目表现为原子序数的周期函数，其周期大体上是8。这样就基本上解释了元素周期律的实质。但是周期律本身仍需在发展中得到完善。
对放射性元素及其衰变产物进行研究，发现它们与周期表中某些已知元素的化学性质极其相似，甚至用化学方法都无法将它们分离。对此，英国化学家索迪于1910年提出了同位素的概念。当时只能将那些用化学方法不能分开的元素，放在周期表中的同一位置。
在研究同位素中又发现另一种情况，即一些元素具有相同的原子量，而化学性质绝然不同，在周期表中不能纳入同一位置，化学家把它们称为同量异序元素。同量异序元素的发现，引起人们对原子量物理意义的重新探索。
1919年，英国化学家阿斯顿发明了质谱仪，并用此研究了30多种元素及其同位素，发现自然界存在的大多数元素都是两种以上同位素的混和物，从而解开了原子量为什么不是整数的疑团。阿斯顿在71种元素中发现了202种同位素。1932年，英国物理学家查德威克发现了中子，人们才认识到同位素是由于具有相同的质子数和不同的中子数而形成的。原子量是质子数和中子数之和。质子数决定原子序数，也决定核外电子数，是决定元素化学性质的主要因素。原子核内中子数不同，只影响原子量，不影响元素的化学性质。由此人们进一步认清了为什么元素化学性质是其原子序数的周期函数。
在门捷列夫发现周期律时，人们只知道有63种元素，在周期律的指导下，发现的元素达到了75种。1894年起，经过英国化学家拉姆塞等人的努力，惰性元素的整个家族逐渐被认识。在1898年居里夫妇发现了放射性元素钋和镭之后，一批放射性元素也逐渐被人们认识。到20世纪30年代，从第一号元素氢到92号元素铀所组成的元素周期表中，已填满了88个位置。寻找原子序数为43、61、85、87的几种元素，科学家整整花费了20年，才用人工核反应方法在实验室中得以证实，因为它们是极不稳定的，在地球上很难找到。科学家继续采用核反应方法合成了92号镎以后的超铀元素。经过努力，科学家已获得107号元素，但是它的半衰期仅2微秒。元素周期表是否到头了，还有待科学家的继续深入研究。化学键理论的建立和发展各种元素的原子是以什么力量和方式相结合而形成各种化合物的？这一直是化学家关注的理论问题。尽管有多种猜测和假设，但是真正从科学理论的高度把它说清楚，还是在复杂的原子结构被揭示之后。
化学家们一直都在思考：各种元素的原子是以什么力量和方式相结合而形成各种化合物的？
1913年玻尔在提出他的原子结构模型时，指出元素原子最外层轨道的电子数相当于周期表中的族数。根据玻尔所阐明的元素原子的电子结构，1916年德国物理学家柯塞尔和美国化学家路易斯分别提出了离子键理论和共价键理论。
存在于正负离子之间的化学键被称为离子键。离子键理论满意地解释了离子型化合物，但对于非离子型化合物，如氢分子、氯分子，对于甲烷等就无能为力了。也在1916年，路易斯提出共有电子对的设想，并指出存在着两种类型的化合物，一种是极性键化合物，另一种是非极性键化合物。1919年美国化学家朗缪尔发展了路易斯的设想，明确指出两个或多个原子可以相互共用一对或多对电子，以达到类似惰性元素的电子结构，从而彼此形成稳定的分子。这种靠共有电子对形成的分子叫共价键分子，它又可分为极性分子和非极性分子。这一理论对解释一些非极性分子例如氢分子，氯分子等还令人信服。50年前库柏假设的表示价键的短线也有了明确的含义，即一条短线表示共有一对电子。
1923年，法国物理学家德布罗意指出：所有的微粒都与光一样，具有波粒二象性。即既有光子的特征，又有光波的性能。实验也证明了电子的确具有波粒二象性。所以在分子或原子中，电子绕核运动不能用经典的牛顿力学来阐明，而只能用反映微观物体运动规律的量子力学来描述。运用量子力学的原理来研究分子的微观结构，就诞生了量子化学这门学科。量子化学的发展把化学键的研究引向深入。
量子力学的基本方程是奥地利物理学家薛定谔于1925年提出的一个复杂的微分方程。量子力学的原理被进一步应用到各原子分子的研究中，先后建立了两种化学键理论：价键理论和分子轨道理论。
价键理论是由海特勒和伦敦处理氢分子的成果推广而来的，后来又经美国化学家鲍林的工作而得到发展。认为分子由原子组成，假定原子存在未成对的电子，自旋又是反平行的，就能两两地结合成电子对，这对电子运动所处的原子轨道就会交盖重叠，从而形成价键。原子轨道重叠愈多，所形成的价键愈稳定。一个电子与另一个电子配对后，就不能与第三个电子配对。这理论基本上解决了某些基态分子成键的饱和性和方向性。
氢键是一种较弱的但又很重要的化学键。早在1912年化学家就推测它的存在。直到20年后，化学家才在晶体结构分析中得到证实。美国化学家鲍林提出了电负性的概念，元素的电负性大小表示分子成键原子吸引共用电子对的能力的大小。他还指出：电负性大的原子与氢形成的化学键，由于极性很强，共用电子对明显地被电负性大的原子所吸引，几乎裸露的氢核就允许另一个带负电性的原子充分接近它，并产生生物大分子中，因而在它们的结构研究中是不易忽视的。
面对有机共轭分子和某些多原子分子，价键理论显得无能为力。1932年，美国化学家莫立根继承了德国物理学家洪特对化学键分类研究的成果，利用量子力学的方法计算了分子内电子运动的途径，提出了分子轨道理论。他主张把轨道看成是围绕着原子核散开的电子云。轨道面向空间，可以互相重叠，形成化学键。这种方法可以描述任何分子的结构。因而在50年代后获得了较快的发展。首先在有机化学结构分析和合成方面得到了广泛的应用，并在理论上取得很大进展。
矿物、金属、合金、许多无机盐和有机物，它们的固相都属于晶体，因此以晶体形式存在于自然界的物质是大量的。结构化学则是专门系统地研究分子和晶体的结构及其与性能的关系的学科。尽管在19世纪，化学家已认识到化学物质的结构与其性质存在着依存关系，但是深入地探索这一关系仍是在20世纪物理学革命之后。
1912年，物理学家——德国的劳厄和英国的布拉格父子创立了X射线衍射法，开辟了晶体结构研究的新纪元。这种方法是将X射线照射晶体，观测晶体在哪些方向上衍射X射线，以及这些衍射方向上X射线的强度，再据此推算出晶体中原子和电子的空间分布，从而知道晶体或分子的结构。应用这种方法，布拉格父子对氯化钠、氯化钾晶体进行测定，使人们了解到这类晶体的每一个晶粒都像一个庞大的分子，其中全部的氯离子，钠或钾离子是通过离子键结合成一体，并不象过去有些人所想象的那样：晶体内存在着单个的氯化钠或氯化钾分子。他们继而对硫化锌，黄铁矿，萤石，方解石等晶体进行测定，掌握了这些晶体内部原子的排列方式，离子团结构、原子大小、原子间距离等资料。因为这一开创性的研究成果，布拉格父子荣获了1915年的诺贝尔物理奖。
在20年代，化学家推算出80多种离子的半径，并概括出结晶化学定律：晶体的结构取决于它的组成者的数量关系，大小关系和极化性能。1928年，鲍林在研究了许多含氧酸盐和硅酸盐结构的基础上，提出了关于这类化合物的结构规则。对金刚石、石墨晶体的结构研究，不仅证明了碳原子的四个价键确实呈四面体构向，还使人们认识到金刚石与石墨之所以在物理性质上有这么大的差异是由于晶体结构的不同，它们是同素异形体。对尿素、直链烷烃及一些简单的芳香族化合物的测定，同样印证了有机物的经典结构理论。特别是对苯及其衍生物结构的测定，明确了苯环是一个平面结构，六个碳原子位于正六角形的六个顶点，碳-碳间距离均相等。晶体结构的研究所获得的丰富资料，为人们认识化学物质的结构及其与性能的关系，为发展化学理论提供了坚实的实验基础。
X射线结构分析的运用，促进了分子结构理论的研究，反过来，分子结构理论的研究又促使结构分析方法不断得到发展。在1929年和1936年分别创立了电子衍射法和中子衍射法。电子衍射法和中子衍射法与X射线衍射法的原理是一样的，不同的是电子射线的穿透能力不如X射线，较适合于研究气体分子的结构和薄膜及固体的表面结构。中子射线主要被原子核散射，不受核外电子的干扰，所以较多用于测定晶体结构中的轻原子位置，研究底子序数较接近的元素化合物的结构。又因为中子具有磁距，与磁性原子相互作用，因此中子衍射法又常用于研究磁性结构。
在物质结构理论研究的推动下，利用蓬勃发展的现代物理实验技术和光，电、磁等物理原理，测定结构的方法和仪器获得了迅速发展，对晶体和分子结构的认识水平已提高到一个新的阶段。由于结构分析方法逐渐完善，到50年代以后，凡属于代表性的无机物和有机物的晶体结构都已进行了测定，积累了相当丰富的资料，其中还解开了一些十分复杂的物质的结构之谜，结构分析在研究复杂的天然有机物和蛋白质方面更是发挥了重要作用。
在化学方法的配合下，英国女物理学家霍奇金用了十几年的时间先后测定了青霉素、维生素B 10 的晶体结构。她对胰岛素的晶体结构研究，在1969年首先获得2.8埃分辨率的结果。我国以梁栋材为首的科学群体也在1971年和1972年完成了分辨率分别为2.5埃和1.8埃的胰岛素晶体结构的测定工作。
英国晶体学家佩鲁茨经过22年的努力，弄清了马的血红蛋白的晶体结构。英国化学家肯德鲁花了12年时间完成了对鲸的肌红蛋白的结构分析。血红蛋白具有在血液中携带氧的生理功能，肌红蛋白则有在肌肉组织中携带氧和贮存氧的重要功能，它们都是重要的生物大分子，所以上述研究成果在分子生物学上具有深远的意义。
此外，化学家还应用现代的结构分析研究了结构非常特殊的，应用非常重要的硼氢化合物、金属原子族化合物等。科学家特别关注于化学模拟生物固氮的研究就直接关系到对金属原子族化合物的结构和合成研究，对晶体结构缺陷的研究也有特殊的意义，半导体材料的选择和加工就离不开对晶体结构中缺陷和杂质的探讨。
总之，对物质晶体和分子结构的研究，随着现代结构分析技术和方法的发展，不仅能使人们更系统，更精确地掌握原子，原子基团构成化学物质和诱发化学反应的方式和规律，还能解释和推测物质在静态和动态中所表现的性质和功能。这就使整个化学科学从经典的定性科学发展成为现代的定量的科学。