1931
Erich Hückel propone la regla de Hückel, que explica cuándo una molécula de anillo plano posee propiedades aromáticas.
1931
Harold Urey descubre el deuterio por medio de destilación fraccionada de hidrógeno líquido.
1932
James Chadwick descubre el neutrón.
1932–1934
Pauling y Robert Mulliken cuantifican la electronegatividad, ideando las escalas que hoy llevan sus nombres (escala de Pauling y escala de Mulliken, respectivamente).

1937
Eugene Houdry desarrolla un método industrial de craqueo catalítico del petróleo, lo cual lleva al desarrollo de la primera refinería moderna de petróleo.
1937
Pyotr Kapitsa, John Allen y Don Misener producen helio-4, el primer superfluido de viscocidad cero así como una sustancia que muestra las propiedades de la mecánica cuántica a escala macroscópica.
1938
Otto Hahn descubre el proceso de fisión nuclear en el uranio y el torio.
1939
Pauling publica La naturaleza del enlace químico, una obra compilatoria de investigaciones hechas décadas atrás en el rubro de los enlaces químicos. Es considerado como uno de los textos de química modernos más importantes, pues explica conceptos como la hibridación, los enlaces covalente y iónico (explicados en torno a la electronegatividad), y la resonancia, todos ellos incorporados para describir, entre otras cosas, la estructura del benceno.
1940
Edwin Mattison McMillan y Philip H. Abelson identifican el neptunio, el primer elemento transuránico sintetizado además de ser el más ligero, presente en los productos de la fisión de uranio. Poco después, McMillan se topó con un laboratorio en la Universidad de California en Berkeley que se involucraría luego en el descubrimiento de muchos nuevos elementos e isótopos.
1941
Glenn Theodore Seaborg se hace cargo del trabajo de McMillan consistente en crear nuevos núcleos atómicos. Así, se convierte en uno de los pioneros de la captura de neutrones y, más tarde, de otros reacciones nucleares. Además, se convertiría en uno de los descubridores de nueve elementos químicos nuevos, y docenas de nuevos isótopos de elementos existentes.
1945
Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell realizan la primera síntesis confirmada de prometio, llenando de esta forma el último espacio vacío en la tabla periódica.
1945–1946
Felix Bloch y Edward Mills Purcell desarrollan el proceso de resonancia magnética nuclear (RMN), una técnica analítica importante en la dilucidación de estructuras de moléculas, especialmente en química orgánica.
1951
Pauling utiliza la cristalografía de rayos X para deducir la estructura secundaria de las proteínas.
1952
Alan Walsh inicia el campo de la espectroscopia de absorción atómica, un método notable de espectroscopia cuantitativa que permite medir las concentraciones específicas de un material en una mezcla.
1952
Robert Burns Woodward, Geoffrey Wilkinson y Ernst Otto Fischer descubren la estructura del ferroceno, uno de los descubrimientos que daría lugar al establecimiento de la química organometálica.
1953
James Dewey Watson y Francis Crick proponen la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), con lo que se funda el campo de la biología molecular.
1957
Jens Skou descubre la bomba sodio-potasio, considerada como la primera enzima capaz de transportar iones.
1958
Max Perutz y John Kendrew hacen uso de la cristalografía de rayos X para dilucidar la estructura de una proteína, en concreto de la mioglobina.