L'un des événements fondateurs du siècle est la formulation de la théorie atomique par John Dalton. En 1803, Dalton propose que toute matière est composée de particules indivisibles appelées atomes, et que les éléments chimiques sont constitués d'atomes identiques entre eux, mais différents des atomes des autres éléments. Il introduit aussi l'idée que les composés se forment par la combinaison d'atomes dans des rapports simples et entiers. Pour soutenir cette théorie, il établit des poids atomiques relatifs, en prenant l'hydrogène comme référence. Bien que ses valeurs soient parfois inexactes en raison de méconnaissances sur les formules moléculaires, son approche marque une rupture décisive avec les conceptions qualitatives du passé. La théorie atomique devient peu à peu un cadre indispensable pour comprendre les réactions chimiques et les lois de proportion. 

Cependant, une confusion persiste sur la nature des particules : atomes ou molécules? C'est Amedeo Avogadro qui, en 1811, propose une hypothèse révolutionnaire : des volumes égaux de gaz, à la même température et pression, contiennent le même nombre de molécules. Cette idée, ignorée pendant plusieurs décennies, permettrait de distinguer clairement entre atomes et molécules. Ce n'est qu'en 1860, lors du congrès de Karlsruhe, que Stanislao Cannizzaro redonne vie à cette hypothèse, clarifiant les notions de poids atomique et de poids moléculaire. Cette clarification est essentielle pour la cohérence de la chimie et permet de corriger de nombreuses erreurs dans les formules chimiques. 

Parallèlement, les progrès en électrochimie ouvrent de nouvelles voies d'investigation. Humphry Davy utilise la pile électrique — récemment inventée par Alessandro Volta — pour décomposer des composés par électrolyse. Entre 1807 et 1808, il isole plusieurs métaux alcalins et alcalino-terreux : sodium, potassium, calcium, magnésium, strontium et baryum. Ces découvertes montrent que certains éléments, jusque-là inséparables dans leurs composés, peuvent être libérés par l'électricité. Michael Faraday, son élève, poursuit ces travaux et établit les lois quantitatives de l'électrolyse, introduisant des termes comme électrode, anode, cathode, ion, cation et anion. Il démontre que la quantité de matière déposée lors de l'électrolyse est proportionnelle à la charge électrique, posant les bases de l'électrochimie quantitative. 

La découverte de nouveaux éléments se poursuit à un rythme accéléré. Grâce à l'analyse spectrale, mise au point par Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff dans les années 1850, les chimistes peuvent identifier des éléments à partir de la lumière qu'ils émettent lorsqu'ils sont chauffés. Cette méthode, extrêmement sensible, permet de découvrir des éléments présents en traces minimes. En 1860, Bunsen et Kirchhoff découvrent le césium, puis le rubidium en 1861. D'autres éléments sont identifiés par des méthodes chimiques classiques, comme le gallium par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, ou le germanium par Clemens Winkler en 1886. 

Mais la grande synthèse du siècle est l'élaboration du tableau périodique des éléments par Dmitri Mendeleïev en 1869. Partant de l'idée que les propriétés des éléments varient périodiquement en fonction de leur masse atomique, il classe les éléments connus en lignes et colonnes, laissant des cases vides pour des éléments non encore découverts. Ce qui rend son travail remarquable, c'est qu'il ose prédire les propriétés de ces éléments manquants — comme l'eka-silicium, qui sera plus tard identifié comme le germanium — avec une précision étonnante. Le tableau périodique devient un outil fondamental pour organiser la chimie, et sa validité sera confirmée par les découvertes ultérieures. 

Un autre bouleversement majeur du siècle est la naissance de la chimie organique. Jusqu'au début du XIX^e siècle, on pensait que les composés des êtres vivants ne pouvaient être produits qu'avec l'intervention d'une « force vitale », inaccessible en laboratoire. Cette croyance est battue en brèche en 1828 par Friedrich Wöhler, qui réussit à synthétiser de l'urée — un composé organique présent dans l'urine — à partir de cyanate d'ammonium, une substance inorganique. Cette expérience montre que les composés organiques peuvent être fabriqués sans intervention biologique, brisant le mur entre chimie organique et inorganique. 

La chimie organique se développe alors rapidement. Justus von Liebig, en Allemagne, fonde une école de chimie expérimentale rigoureuse, appliquant les méthodes quantitatives à l'analyse des composés organiques. Il étudie les acides organiques, les processus de fermentation et la nutrition végétale, contribuant à la chimie agricole. August Kekulé propose en 1858 la notion de valence et, en 1865, la structure cyclique du benzène, ouvrant la voie à la compréhension des molécules aromatiques. D'autres, comme Archibald Scott Couper, développent des notations pour représenter les liaisons entre atomes, préfigurant les formules structurales modernes. 

Les applications industrielles de la chimie se multiplient. La synthèse de colorants artificiels, comme la mauvéine découverte par William Henry Perkin en 1856, lance une nouvelle industrie. Les usines de produits chimiques se développent en Allemagne, en France et en Angleterre, produisant acides, engrais, savons, médicaments et explosifs. Le procédé de Leblanc pour la fabrication de la soude est remplacé par le procédé plus efficace et moins polluant de Solvay, mis au point en 1861. La chimie devient un moteur de la révolution industrielle. 

En parallèle, la chimie se structure institutionnellement. Des laboratoires universitaires spécialisés sont créés, notamment en Allemagne, où la recherche chimique est fortement soutenue. Les chimistes se regroupent en sociétés professionnelles, publient des revues scientifiques spécialisées, et participent à des congrès internationaux. L'enseignement de la chimie devient systématique, avec des manuels, des cours pratiques et des examens. 

Enfin, les liens entre chimie et autres sciences se renforcent. La thermodynamique, née dans le contexte de la physique, est appliquée aux réactions chimiques par des savants comme Josiah Willard Gibbs, qui développe la notion d'énergie libre et permet de prédire la spontanéité des réactions. La stéréochimie, initiée par Jacobus Henricus van 't Hoff et Joseph Le Bel, introduit l'idée que la disposition spatiale des atomes dans une molécule influence ses propriétés — notamment en expliquant l'activité optique de certaines substances. 

À la fin du XIX^e siècle, la chimie dispose de concepts unificateurs (atome, molécule, périodicité, structure), de méthodes expérimentales puissantes (spectroscopie, électrolyse, analyse quantitative), et d'un impact croissant sur la société. Elle a abandonné les restes de vitalisme, de mysticisme et de spéculations non vérifiées. Les bases sont posées pour le grand bond en avant du XX^e siècle, avec la découverte de la structure de l'atome, la mécanique quantique et la chimie des macromolécules. La chimie, désormais, n'est plus seulement l'étude des transformations de la matière : elle en devient le langage profond.