L'un des bouleversements les plus fondamentaux est l'application de la physique quantique à la chimie. Au début du siècle, la découverte de la structure de l'atome par Ernest Rutherford, puis les modèles de Bohr, posent les bases d'une nouvelle compréhension de la matière. Mais c'est avec le développement de la mécanique quantique dans les années 1920 que la chimie entre dans une ère nouvelle. Des physiciens comme Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg et Wolfgang Pauli établissent les équations qui régissent le comportement des électrons dans les atomes. Très vite, des chimistes comme Linus Pauling, Friedrich Hund, Robert Mulliken et John C. Slater appliquent ces théories pour expliquer la liaison chimique. Le modèle de l'orbitale atomique remplace les conceptions classiques de l'électron en orbite, et des concepts comme la hybridation, la résonance ou la théorie des orbitales moléculaires permettent de comprendre la géométrie, la stabilité et la réactivité des molécules. La chimie devient ainsi une science capable de prédire les propriétés des substances à partir de leurs structures électroniques. 

Parallèlement, les techniques d'analyse se perfectionnent de manière spectaculaire. La spectroscopie, déjà utilisée au XIX^e siècle, se diversifie : spectroscopie infrarouge, ultraviolette, de résonance magnétique nucléaire (RMN), de masse, de diffraction des rayons X. Ces méthodes permettent de déterminer la structure des molécules avec une précision inédite. En 1953, la structure de l'ADN est élucidée par James Watson et Francis Crick grâce aux données de diffraction de rayons X obtenues par Rosalind Franklin. Cette découverte, bien que relevant de la biologie moléculaire, repose sur des méthodes chimiques fondamentales et illustre le rôle central de la chimie dans la compréhension du vivant. 

La biochimie émerge comme un domaine majeur. Les travaux de Emil Fischer sur les sucres, les protéines et les enzymes au tournant du siècle ouvrent la voie à l'étude des processus vitaux à l'échelle moléculaire. Au cours du siècle, on découvre les mécanismes de la respiration cellulaire (cycle de Krebs), de la photosynthèse (cycle de Calvin), de la synthèse des protéines et de la réplication de l'ADN. Les enzymes sont caractérisées comme des catalyseurs biologiques, et leur mode d'action est compris grâce à la chimie. Les hormones, les vitamines, les acides nucléiques et les cofacteurs sont isolés, identifiés et synthétisés. La chimie devient indispensable à la médecine, avec le développement des antibiotiques (pénicilline, découverte par Alexander Fleming en 1928, puis purifiée et produite à grande échelle), des vaccins, des hormones de synthèse et des médicaments ciblés. 

Dans le domaine de la chimie organique, les réactions sont de plus en plus maîtrisées. Le XX^e siècle voit l'essor de la synthèse organique totale : des molécules complexes comme la vitamine B12 (synthétisée par Robert Burns Woodward et Albert Eschenmoser dans les années 1970), la chlorophylle ou la cortisone sont construites en laboratoire, étape par étape, avec une précision remarquable. Woodward, en particulier, devient un maître de la synthèse, combinant intuition, connaissance des mécanismes réactionnels et innovation. Il établit aussi des règles prévisionnelles, comme les règles de Woodward-Hoffmann sur les réactions péricycliques, qui relient la stéréochimie aux principes de la mécanique quantique. 

La catalyse connaît un développement fulgurant. Les catalyseurs homogènes et hétérogènes sont utilisés à grande échelle dans l'industrie. En 1913, le procédé Haber-Bosch permet la synthèse de l'ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène, révolutionnant l'agriculture grâce aux engrais azotés. Ce procédé, encore utilisé aujourd'hui, sauve des millions de vies en augmentant la production alimentaire. Plus tard, les catalyseurs organométalliques, comme ceux utilisés dans les réactions de métathèse (récompensées par le prix Nobel en 2005), permettent de former des liaisons carbone-carbone avec une grande efficacité. 

La chimie des polymères transforme le monde matériel. À partir des années 1920, Hermann Staudinger développe la théorie des macromolécules, montrant que les plastiques, les caoutchoucs et les fibres naturelles sont constitués de longues chaînes d'unités répétées. Cette idée, longtemps controversée, ouvre la voie à la création de nouveaux matériaux synthétiques : nylon, polyéthylène, polystyrène, PVC, Téflon. Ces matériaux révolutionnent l'industrie, l'emballage, les textiles, la construction et les technologies. La chimie devient l'art de concevoir des matériaux sur mesure, avec des propriétés spécifiques. 

La chimie industrielle se développe en parallèle avec les besoins de la société. Les grandes guerres du siècle accélèrent l'innovation : gaz de combat, explosifs, carburants, caoutchouc synthétique, médicaments de campagne. Après la Seconde Guerre mondiale, l'industrie chimique connaît un essor sans précédent, notamment aux États-Unis, en Allemagne et au Japon. Des entreprises comme BASF, Dow, DuPont ou Monsanto deviennent des géants mondiaux, produisant des millions de tonnes de produits chimiques chaque année. L'agrochimie se développe avec les pesticides, les herbicides et les engrais, augmentant la productivité mais soulevant aussi des questions environnementales et sanitaires sérieuses. 

C'est précisément dans les dernières décennies du siècle que les préoccupations écologiques émergent. Le livre de Rachel Carson, Silent Spring (1962), alerte sur les dangers des pesticides comme le DDT. La pollution industrielle, les pluies acides, les déchets toxiques et l'appauvrissement de la couche d'ozone (découvert dans les années 1980) montrent que la chimie, bien que bénéfique, peut avoir des effets délétères. Cela conduit à l'émergence de la chimie verte, qui vise à concevoir des procédés plus durables, moins polluants, utilisant des solvants moins toxiques, des sources d'énergie renouvelables et des atomes plus efficacement utilisés. 

La chimie nucléaire, née avec la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel, Marie et Pierre Curie à la fin du XIX^e siècle, se développe considérablement. Le XX^e siècle voit la fission et la fusion nucléaires, la fabrication de réacteurs nucléaires, la production d'éléments artificiels (comme le plutonium, le curium ou le seaborgium) et la synthèse d'éléments superlourds. La chimie des radioéléments devient essentielle en médecine (imagerie, radiothérapie), en archéologie (datation au carbone 14) et en énergie. 

Enfin, la chimie devient de plus en plus interdisciplinaire. Elle s'associe à la biologie pour créer la biotechnologie, à la physique pour développer les nanomatériaux, à l'informatique pour la modélisation moléculaire et la chimie computationnelle. Les simulateurs permettent de prédire le comportement des molécules avant même de les synthétiser. La chimie supramoléculaire, initiée par Jean-Marie Lehn, étudie les assemblages non covalents entre molécules, ouvrant la voie à des systèmes intelligents, capables de reconnaissance moléculaire, comme les enzymes ou les récepteurs. 

À la fin du XX^e siècle, la chimie est une science universelle, à la fois fondamentale et appliquée. Elle a transformé le monde, parfois pour le meilleur, parfois pour le pire, mais elle reste un pilier de la modernité.