Năm 1903Mikhail Semyonovich Tsvet phát minh ra sắc ký, một kỹ thuật phân tích quan trọng.[86]Năm 1904Hantaro Nagaoka đề xuất một mô hình nguyên tử sơ khai, trong đó các electron chuyển động quanh một hạt nhân khổng lồ với mật độ cao.[87]Năm 1905Fritz Haber và Carl Bosch phát triển quy trình Haber nhằm tạo ra amoniac từ nitơ và hydro, một cột mốc trong ngành công nghiệp hóa học với ảnh hưởng sâu rộng trong nông nghiệp.[88]Năm 1905Albert Einstein giải thích chuyển động Brown qua đó chứng minh dứt điểm lý thuyết về nguyên tử.[89]Năm 1907Leo Hendrik Baekeland tạo ra bakelite, một trong những loại nhựa thương mại đầu tiên.[90]Robert A. Millikan thực hiện thí nghiệm giọt dầu.Năm 1909Robert Millikan đo điện tích của từng electron với độ chính xác chưa từng thấy qua thí nghiệm giọt dầu, xác nhận rằng tất cả các electron đều có cùng điện tích và khối lượng.[91]Năm 1909S. P. L. Sørensen tìm ra lý thuyết về độ pH và phát triển phương pháp đo nồng độ axit.[92]Năm 1911Antonius van den Broek đề xuất ý tưởng cho rằng các nguyên tố trong bảng tuần hoàn nên được sắp xếp theo điện tích dương hơn là theo khối lượng nguyên tử.[93]Năm 1911Hội nghị Solvay đầu tiên được tổ chức tại Brussels, quy tụ hầu hết các nhà khoa học nổi tiếng nhất lúc bấy giờ. Các hội nghị về vật lý và hóa học vẫn tiếp tục được tổ chức định kỳ đến ngày nay.[94]Năm 1911Ernest Rutherford, Hans Geiger, và Ernest Marsden thực hiện thí nghiệm lá vàng, chứng minh mô hình hạt nhân nguyên tử, với một hạt nhân nhỏ mang điện tích dương với mật độ cao được bao quanh bởi một đám mây electron khuếch tán.[85]Năm 1912William Henry Bragg và William Lawrence Bragg đề xuất định luật Bragg và thành lập ngành tinh thể học tia X, một công cụ quan trọng để giải thích cấu trúc vật chất.[95]Năm 1912,Peter Debye phát triển lý thuyết lưỡng cực phân tử nhằm mô tả sự phân bố điện tích bất đối xứng trong một số phân tử.[96]Mô hình nguyên tử BohrNăm 1913Niels Bohr đưa các khái niệm cơ học lượng tử vào cấu trúc nguyên tử bằng cách đề xuất khái niệm ngày nay được gọi là mô hình nguyên tử Bohr, trong đó các electron chỉ tồn tại trong các orbital nguyên tử nhất định.[97]Năm 1913Henry Moseley, tiếp tục ý tưởng trước đó của Van den Broek, giới thiệu khái niệm về số hiệu nguyên tử để sửa chữa những điểm chưa hợp lý của bảng tuần hoàn Mendeleev, vốn dựa trên khối lượng nguyên tử.[98]Năm 1913Frederick Soddy đề xuất khái niệm đồng vị, rằng các nguyên tố có cùng tính chất hóa học có thể có khối lượng nguyên tử khác nhau.[99]Năm 1913J. J., Thomson khi mở rộng nghiên cứu của Wien, thấy rằng các hạt hạ nguyên tử khi hấp thụ năng lượng có thể được phân biệt bởi tỷ lệ khối lượng trên điện tích, chính là kỹ thuật khối phổ.[100]Năm 1916Gilbert N. Lewis xuất bản The Atom and the Molecule (tạm dịch: Nguyên tử và Phân tử), nền tảng của lý thuyết liên kết hóa trị.[101]Năm 1921Otto Stern và Walther Gerlach thiết lập khái niệm spin lượng tử trong các hạt hạ nguyên tử.[102]Năm 1923Gilbert N. Lewis và Merle Randall xuất bản Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances (tạm dịch Nhiệt động lực học và Năng lượng tự do của các hợp chất hóa học), luận văn hiện đại đầu tiên về nhiệt động hóa học.[103]Năm 1923Gilbert N. Lewis phát triển lý thuyết cặp electron của phản ứng axit/bazơ.[101]Năm 1924Louis de Brogline giới thiệu mô hình sóng của cấu trúc nguyên tử dựa trên các ý tưởng về lưỡng tính sóng-hạt.[104]Năm 1925Wolfgang Pauli phát triển nguyên lý loại trừ, trong đó tuyên bố rằng không có hai electron xung quanh một hạt nhân có thể có cùng trạng thái lượng tử. Các trạng thái này cũng  được mô tả bởi bốn số lượng tử.[105]Năm 1926Erwin Schrödinger đề xuất phương trình Schrödinger, cung cấp cơ sở toán học cho mô hình sóng của cấu trúc nguyên tử.[106]Năm 1927Werner Heisenberg phát triển nguyên lý bất định, cùng với một số lý thuyết khác, đã giải thích nguyên tắc chuyển động của electron quanh hạt nhân.[107]Năm 1927Fritz London và Walter Heitler áp dụng cơ học lượng tử để giải thích liên kết cộng hóa trị trong phân tử hydro,[108] đánh dấu sự ra đời của hóa học lượng tử.[109]Năm 1929Linus Pauling đề xuất các quy tắc Pauling, là những nguyên tắc chính trong việc sử dụng tinh thể học tia X để suy luận ra cấu trúc phân tử.[110]Năm 1931Erich Hückel đề xuất quy tắc Hückel nhằm giải thích khi nào một phân tử vòng phẳng (planar ring molecule) có các đặc tính của chất thơm.[111]Năm 1931Harold Urey phát hiện ra deuteri bằng cách chưng cất phân đoạn hydro lỏng.[112]Mô hình hai dạng quen thuộc của ni lôngNăm 1932James Chadwick phát hiện ra neutron.[113]Năm 1932-1934Linus Pauling và Robert Mulliken định lượng được độ âm điện, tạo ra các thang đo mang tên hai ông.[114]Năm 1935Wallace Carothers chỉ đạo một nhóm các nhà hóa học tại DuPont phát minh ra ni lông, một trong những polyme tổng hợp thành công nhất về mặt thương mại trong lịch sử.[115]Năm 1937Carlo Perrier và Emilio Segrè tiến hành thực nghiệm đầu tiên tổng hợp ra tecneti-97, nguyên tố nhân tạo đầu tiên, lấp đầy một ô trống trong bảng tuần hoàn. Mặc dù đã có những tranh cãi do nguyên tố này thật ra đã có thể được tổng hợp từ năm 1925 bởi Walter Noddack và cộng sự.[116]Năm 1937Eugene Houdry phát triển một phương pháp xúc tác cracking dầu mỏ với quy mô công nghiệp, dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật lọc dầu hiện đại.[117]Năm 1937Pyotr Kapitsa, John Allen và Don Misener sản xuất heli-4 siêu lạnh, chất lỏng đầu tiên có độ nhớt bằng không, một chất thể hiện các đặc tính của cơ học lượng tử ở mức vĩ mô.[118]Năm 1938Otto Hahn phát hiện ra quá trình phân hạch hạt nhân trong urani và thori.[119]Năm 1939Linus Pauling xuất bản The Nature of the Chemical Bond (tạm dịch: Bản chất của liên kết hóa học), một tập hợp các nghiên cứu trong hàng thập kỷ về liên kết hóa học. Đó là một trong những tài liệu quan trọng nhất của hóa học hiện đại. Nó giải thích thuyết lai hóa, liên kết cộng hóa trị, liên kết ion qua độ âm điện; và cấu trúc benzen qua hiệu ứng cộng hưởng.[110]Năm 1940Edwin McMillan và Philip H. Abelson tìm ra neptuni, nguyên tố siêu urani nhẹ nhất và được tổng hợp đầu tiên, được tìm thấy trong các sản phẩm phân hạch urani. McMillan sẽ tìm thấy một phòng thí nghiệm tại Berkeley, nơi tìm ra rất nhiều nguyên tố và đồng vị mới.[120]Năm 1941Glenn T. Seaborg tiếp tục công việc của McMillan trong việc tìm ra hạt nhân nguyên tử mới. Ông là người tiên phong trong phương pháp bắt giữ neutron và sau đó là các phản ứng hạt nhân khác. Sẽ trở thành người tìm ra hoặc cùng tìm ra chín nguyên tố hóa học mới và hàng chục đồng vị mới của các nguyên tố đã biết.[120]Năm 1945Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin, và Charles D. Coryell thực hiện tổng hợp đầu tiên của promethi, lấp đầy ô trống cuối cùng trong bảng tuần hoàn.[121]Năm 1945-1946Felix Bloch và Edward Mills Purcell phát triển quá trình cộng hưởng từ hạt nhân, một kỹ thuật phân tích quan trọng trong việc làm sáng tỏ cấu trúc phân tử, đặc biệt là trong ngành hóa học hữu cơ.[122]Năm 1951Linus Pauling sử dụng tinh thể học tia X để phán đoán cấu trúc bậc hai của protein.[110]Năm 1952Alan Walsh đi tiên phong trong lĩnh vực phổ hấp thu nguyên tử, một phương pháp quan trắc định lượng quan trọng cho phép xác định nồng độ cụ thể của một chất trong một hỗn hợp.[123]Năm 1952Robert Burns Woodward, Geoffrey Wilkinson và Ernst Otto Fischer tìm ra cấu trúc của ferrocene, một trong những phát hiện nền tảng trong lĩnh vực hóa học cơ kim.[124]Năm 1953James D. Watson và Francis Crick đề xuất cấu trúc của DNA, mở cánh cửa dẫn đến lĩnh vực sinh học phân tử.[125]Năm 1957Jens Skou khám phá ra Na+/K+-ATPase, enzyme đầu tiên vận chuyển ion.[126]Năm 1958Max Perutz và John Kendrew sử dụng tinh thể học tia X để làm sáng tỏ cấu trúc một protein, đặc biệt là myoglobin của cá nhà táng.[127]Năm 1962Neil Bartlett tổng hợp xenon hexafluoroplatinate, lần đầu chỉ ra rằng các nguyên tố khí hiếm cũng có thể tạo ra hợp chất hóa học.[128]Năm 1962George Olah quan sát carbocation qua các phản ứng của siêu axit.[129]Năm 1964Richard R. Ernst thực hiện các thí nghiệm sau này sẽ dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) theo biến đổi Fourier. Điều này sẽ tăng độ chính xác của kỹ thuật, và mở ra cánh cửa đến kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (MRI).[130]Năm 1965Robert Burns Woodward and Roald Hoffmann đề xuất các quy tắc Woodward-Hoffmann, sử dụng sự đối xứng của các quỹ đạo phân tử để giải thích sự sắp xếp các nguyên tử trong các phản ứng hóa học.[124]Năm 1966Hitoshi Nozaki and Ryōji Noyori tìm ra ví dụ đầu tiên về sự xúc tác bất đối xứng (sự hydro hóa) bằng cách sử dụng các hợp chất quang hoạt của kim loại chuyển tiếp có cấu trúc rõ ràng.[131][132]Năm 1970John Pople phát triển phần mềm Gaussian và có đóng góp đáng kể vào ngành hóa học tính toán.[133]Năm 1971Yves Chauvin đưa ra một lời giải thích về cơ chế của phản ứng hoán vị olefin.[134]Năm 1975Karl Barry Sharpless và cộng sự khám phá ra các phản ứng oxy hóa chọn lọc lập thể, bao gồm Sharpless epoxidation,[135][136] Sharpless asymmetric dihydroxylation,[137][138][139] và Sharpless oxyamination.[140][141][142]Buckminsterfullerene, C60Năm 1985Harold Kroto, Robert Curl, và Richard Smalley tìm ra fullerene, một nhóm các nguyên tử cacbon tạo thành một mái vòm trắc địa, một kết cấu được thiết kế bởi kiến trúc sư R. Buckminster Fuller R. Buckminster Fuller.[143]Năm 1991Sumio Iijima sử dụng kính hiển vi điện tử nhằm tìm ra một loại fullerene hình trụ được biết đến như là ống nano cacbon, cho dù trước đó nghiên cứu đã được thực hiện từ năm 1951. Vật liệu này là một thành phần quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano.[144]Năm 1994Robert A. Holton và cộng sự tìm ra chất tổng hợp toàn phần đầu tiên của taxol.[145][146][147]Năm 1995Eric Cornell và Carl Wieman sản xuất ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên, một trạng thái thể hiện đặc tính cơ học lượng tử ở mức vĩ mô.[148]