Теория химического строения органических веществ, созданная великим русским химиком А.М. Бутлеровым (1861 г.), стала научным фундаментом органической химии, определившим её дальнейшее развитие. Основу теории составляет ряд положений, имеющих принципиальное значение для систематизации и прогнозирования представлений о строении и свойствах химических соединений.

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности согласно их валентности ("сил сродства"). Порядок соединения атомов в молекуле называется её химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).
2. Химическое строение можно устанавливать химическими методами (позднее стали применяться также современные физические методы).
3. Свойства соединений зависят не только от природы и числа входящих в них атомов, но и от химического строения молекул: составСостав химического соединения отражает молекулярная формула, в которой указаны тип и число атомов в молекуле вещества. Например, C₂H₆O. соединения строение Химическое строение молекулы отражает структурная формула, в которой показан порядок соединения атомов химическими связями. молекул свойства вещества.
4. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы – предвидеть свойства.
5. Различная реакционная способность соединений объясняется "большей или меньшей энергией", с которой связываются атомы (то есть энергией химических связей).
6. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

Cтановлению теории строения способствовали работы Кекуле, Кольбе, Купера, Жерара и Вант-Гоффа. Однако их теоретические положения не носили общего характера и служили, главным образом, целям объяснения экспериментального материала.

Развивая теорию химического строения, Бутлеров дал объяснение явлению изомерииИзомерия — это явление существования соединений, имеющих одинаковый атомный состав (одну молекулярную формулу), но различное строение и, следовательно, разные свойства. (1864 г), предсказал существование различных изомеровИзомеры — соединения одинакового элементного состава (одной молекулярной формулы), отличающиеся химическим  и/или пространственным строением и обладающие различными свойствами. и впервые получил некоторые из них. Доказательством стало установление химического строения соединений экспериментальными методами.

Созданная на богатом экспериментальном материале органической химии, теория химического строения справедлива также по отношению к неорганическим соединениям молекулярного строения (NH₃, HNO₃, N₂O₅, CO₂, H₂CO₃, H₂S, H₂SO₄, H₃PO₄, P₂O₅ и т.п.).
Теория Бутлерова прошла проверку временем, получив на основе современных представлений о строении вещества более глубокое научное обоснование.

Важным направлением химических исследований является синтез соединений с заданными свойствами для конкретного применения. Решение таких задач основано на установленной Бутлеровым взаимосвязи: структура  молекулы    ←—→    свойства  вещества Эта взаимосвязь первоначально имела лишь качественное описание. C развитием методов исследования и представлений об электронном и пространственном строении молекул стала возможной количественная оценка соотношения "структура-свойство" c помощью цифровых технологий. Применение вычислительных методов при молекулярном моделировании позволяет прогнозировать свойства модельных структур, находить оптимальную модель молекулы и планировать целенаправленный синтез нужного соединения.