الكيمياء الكمّية، المعروفة أيضًا باسم ميكانيكا الكم الجزيئية، هي فرع من الكيمياء الفيزيائية يُعنى بتطبيق ميكانيكا الكم على الأنظمة الكيميائية، لا سيما في الحسابات الكمّية للمساهمات الإلكترونية في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجزيئات والمواد والمحاليل على المستوى الذري. تشمل هذه الحسابات تقريبيات منهجية تهدف إلى جعل العمليات الحسابية ممكنة من الناحية الحاسوبية، مع الحفاظ على أكبر قدر ممكن من المعلومات حول الدوال الموجية المحسوبة، إضافةً إلى الخصائص القابلة للرصد مثل البنية الطيفية والخصائص الديناميكية الحرارية. كما تهتم الكيمياء الكمّية بحساب التأثيرات الكمّية على الديناميكا الجزيئية والحركية الكيميائية.
يعتمد الكيميائيون بشكل كبير على التحليل الطيفي لاستخلاص معلومات حول تكميم الطاقة على المستوى الجزيئي، ومن بين الطرق الشائعة لذلك: التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي، والفحص المجهري بالمسبار الماسح. يمكن استخدام الكيمياء الكمّية في التنبؤ والتحقق من البيانات الطيفية، بالإضافة إلى مقارنة النتائج التجريبية الأخرى.
تركز العديد من الدراسات في الكيمياء الكمّية على الحالة الإلكترونية القاعية والحالات المثارة للذرات والجزيئات الفردية، بالإضافة إلى دراسة مسارات التفاعل والحالات الانتقالية أثناء التفاعلات الكيميائية. كما يمكن التنبؤ بالخصائص الطيفية للجزيئات. غالبًا ما تفترض هذه الدراسات أن الدالة الموجية الإلكترونية تعتمد بشكلٍ شبه ثابت على مواقع الأنوية، وهو ما يُعرف بتقريب بورن-أوبنهايمر. تُستخدم مجموعة واسعة من الأساليب في الكيمياء الكمّية، منها الطرق شبه التجريبية، ونظرية الكثافة الوظيفية، وحسابات هارتري-فوك، وطرق مونت كارلو الكمّية، وطرق التجميع المترابط.
يُعد فهم البنية الإلكترونية والديناميكا الجزيئية عبر تطوير حلول حاسوبية لمعادلة شرودنغر أحد الأهداف المركزية للكيمياء الكمّية. يعتمد التقدم في هذا المجال على التغلب على عدة تحديات، منها زيادة دقة النتائج للأنظمة الجزيئية الصغيرة، وأيضًا توسيع نطاق الأنظمة الكبيرة القابلة للحساب، إذ تظل قدرة الحوسبة محدودة بسبب التعقيد الحسابي، حيث يزداد زمن الحساب وفقًا لأسّ عدد الذرات في الجزيء.