Chemię i mechanikę kwantową łączy pewien dział mechaniki kwantowej zwany chemią kwantową. Dział ten, w oparciu o równanie Schrödingera, stara się jak najdokładniej opisywać zachowanie elektronów w atomach i cząsteczkach – to elektrony odgrywają główną rolę w wiązaniach chemicznych. Jednak nie tylko ten dział wykorzystuje mechanikę kwantową do opisu cząstek.

Jednym z istotnych przykładów zastosowania mechaniki kwantowej w chemii jest wyjaśnienie układu okresowego pierwiastków, czyli przewidywanie rozkładu elektronów na powłokach. Model wywodzący się z mechaniki kwantowej jest oparty na analizie operatora momentu pędu, czyli operatora odpowiadającemu rotacjom (więcej o układzie okresowym i jego związku z mechaniką kwantową).

Kolejnym przykładem zastosowania mechaniki kwantowej w chemii i badaniu związków chemicznych jest spektrometria. Pomiary spektrometryczne polegają na badaniu widma absorpcyjnego lub emisyjnego związków. W zależności od struktury cząstki – długości wiązań, atomów różnych pierwiastków, kątów między wiązaniami, cząstki mogą wykonywać drgania i rotacje o określonych energiach, co przewidywać można za pomocą modelu kwantowego oscylatora harmonicznego lub anharmonicznego oraz analizy operatora momentu pędu. Na ich podstawie przewiduje się rozkład kolejnych poziomów energetycznych oraz różnice między nimi. Ze względu na skwantowanie poziomów energetycznych, energie przejścia między kolejnymi poziomami będą miały konkretne wartości, które można sprawdzać badając właśnie widmo absorpcyjne lub emisyjne cząstek. Okazuje się, że różnicę między kolejnymi energiami przejść można powiązać z odległościami między atomami w cząstce i badać ją w ten sposób.

Mechanika kwantowa ma wiele innych zastosowań chemii. Wykorzystuje się ją naprawdę często i daje one doskonałe przewidywania.