Hesaplamalı kimya, kimya problemlerini çözmeye yardımcı olmak için bilgisayar simülasyonunu kullanan bir kimya dalıdır. Moleküllerin, katıların yapı ve özelliklerini hesaplamak için verimli bilgisayar programlarına dahil edilmiş teorik kimya yöntemlerini kullanır. Bu yöntemlerin kullanılmasının nedeni, hidrojen moleküler iyonu (dihidrojen katyonu) ile ilgili nispeten yeni sonuçlar dışında, kuantum çok-gövdeli(many-body) problemlerin analitik olarak çözülemez oluşudur.Hesaplama sonuçları normal olarak kimyasal deneylerle elde edilen bilgileri tamamlarken, bazı durumlarda gözlemlenmeyen kimyasal olayları da tahmin edebilmektedir. Yeni ilaç ve materyallerin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu özelliklerin örnekleri, yapı (yani, kurucu atomların konumları), mutlak ve bağıl etkileşimli enerjiler, elektronik-yük yoğunluğu dağılımları, dipoller ve yüksek çok kutuplu momentler, titreşim frekansları, reaktivite veya diğer spektroskopik nicelikler ve bunlarla ilgili kesitlerdir.
Kullanılan yöntemler statik ve dinamik durumları kapsar. Her durumda, bilgisayarın zamanı ve diğer kaynaklar(bellek ve disk alanı gibi) incelenen sistemin boyutuyla birlikte hızla artmaktadır. Bu sistem tekli bir molekül, bir grup molekül veya katı formda olabilir. Hesaplamalı kimya yöntemleri çok yaklaşık değerler üretebilir.Bunlar genellikle yalnızca küçük sistemler için uygulanabilir. Ab initio yöntemleri tamamen kuantum mekaniği ve temel fiziksel sabitler üzerine kuruludur. Diğer yöntemlere ampirik veya yarı ampirik denir çünkü harici olarak ampirik parametreler kullanırlar.
Hesaplamalı kimya yöntemleri hem ab initio hem yarı ampirik yaklaşımları içerir. Bunlar, ilk prensip denklemlerinin basitleştirilmiş formlarından çözülmesi daha kolay veya daha hızlı, sistemin boyutunu (örneğin: periyodik sınır koşulları) sınırlayan yaklaşık değerlerden, herhangi bir çözümü elde etmek için gereken temel denklemlerin ana yaklaşımlarına kadar değişmektedir.Örneğin, çoğu ab initio hesaplamaları, temel Schrödinger denklemini çekirdeklerin hesaplama sırasında yerinde kaldığını varsayarak büyük ölçüde kolaylaştıran Born-Oppenheimer yaklaşımını kullanmaktadır.Prensip olarak, ab initio yöntemleri, yakınsaklıkların sayısını azaltıldığından, temel denklemlerin doğru çözümüne sonuç olarak yaklaşmaktadır. Bununla birlikte, uygulamada, tüm yakınsaklıkları ortadan kaldırmak imkânsızdır ve kaçınılmaz olarak hata oluşmaktadır. Hesaplamalı kimyanın amacı, hesaplamaları tutarlı kılarken bağıl ve mutlak hatayı en aza indirmektir.
Bazı durumlarda, elektronik yapının ayrıntıları moleküllerin uzun zamanlı faz uzayı davranışından daha az önemlidir. Proteinlerin ve protein-ligand bağlayıcıların termodinamik konformasyonel çalışmalarında da durum böyledir.Ayrıca, "cheminformatik" alanında fizikokimyasal özelliklere dayalı makine öğrenimi gibi daha ampirik (ve hesaplama açısından daha ucuz) yöntemler kullanılmaktadır.Örnek olarak tipik bir problem, ilaç moleküllerinin belirli bir hedefe bağlanma afinitesini tahmin etmektir.