W pierwszej połowie XX w. paradygmatem chemii „zatrzęsło” odkrycie subtelnej struktury budowy atomu - w szczególności odkrycie istnienia jądra atomu przez Ernesta Rutherforda w 1911 r. oraz odkrycie zależności między liczbą atomową a strukturą powłok elektronowych przez Henry’ego Moseleya w 1913 r., które to dokonania ostatecznie wyjaśniły dlaczego własności chemiczne pierwiastków zależą od miejsca zajmowanego w układzie okresowym. Częściowo na bazie tych dokonań, a także zastosowania teorii kwantów Maxa Plancka, w 1914 r. Niels Bohr zaproponował pierwszy model orbitalnej struktury atomu wodoru.
Kolejnym wstrząsem, który nastąpił niemal zaraz, bo w latach 30. XX w., było zaadaptowanie dokonań mechaniki kwantowej do zrozumienia natury własności chemicznych pierwiastków i ich zdolności do tworzenia wiązań chemicznych. Połączenie zasady nieoznaczoności Wernera Heisenberga (1927) z zakazem Pauliego (1924) oraz równaniem Schrödingera (1927) doprowadziło do powstania kompletnej teorii orbitali atomowych, a później cząsteczkowych, które w dużym stopniu wyjaśniły mechanizm powstawania i naturę wiązań chemicznych.