Una rama de la ciencia preocupado con el alcance y las limitaciones de las diferentes normas, efectos y generalizaciones en uso en química orgánica por medio de métodos físicos y matemáticos. Incluye, pero no limitada a, la dinámica y energética de transformaciones químicas orgánicas, intermediarios transitorios en estas reacciones, las comparaciones de velocidad entre las familias de las reacciones, estereoquímica dinámica, conservación de simetría orbital, el principio de movimiento de menos, el número de isómero de una determinada composición elemental, análisis conformacional, compuestos inexistentes, aromaticidad, tautomería, CEPA y impedimento estérico y la regla de doble enlace. Espectroscopia es la principal herramienta empleada, con resonancia magnética nuclear siendo el más ampliamente utilizado técnica espectroscópica. Con la llegada de modernas computadoras rápidas, química computacional se ha convertido también en una herramienta importante.