中国科学技术学院化学大学由化学系、近代化学系、光学与光学工程系、天文学系、工程与应用数学系和化学实验教学中心等单位组成。建校之初，知名化学学家严济慈、赵忠尧、施汝为、张文裕、钱三强、钱临照、彭桓武、马大猷、朱洪元等人曾在各系兼任重要职务并执教多年。历任院长沈保根教授，执行校长陈宇翱院士，党委主任陈向军院士。
1958年，中国科学技术学院在上海创立之时，所构建的13个系中与化学直接相关的有7个系，其中原子核化学和原子核工程系、技术化学系及数学教研室是现今化学大学的主体源头。1964年，中学以学科为基础将全校合并成6个系，原子核化学和原子核工程系改名为近代化学系，技术化学系吸纳了生物化学系、地球化学系而改名为化学系。1994年，中学创立了以强化学术交流为目标的理大学，囊括物理、物理、化学、天文、地学、生物诸多学科。2000年，在物理与材料科学、生命科学、地球与空间科学等系先后建成实体大学后，理大学成为实体大学，包括物理、物理、近代数学、天文与应用化学等4个系。2009年，物理系析出，理大学改名为化学大学。同年，以光学学科及中国科大学量子信息重点实验室等为基础组建光学与光学工程系；化学实验教学中心独立建制；天文与应用数学系改名为天文学系。2018年，工程与应用数学系组建。
化学大学共有教职职工451人，其中院士115人，副院长（含特任院长）109人，任期制科研人员173人。现有中国科大学与中国工程院教授（含外聘）17名，国家级教学名师2人，教育部人才计划19人（含青年学者），国家千人计划入围者16人（含青年人才）物理学科评估，国家杰出青年基金获得者41人，国家创新人才计划人才50人，国家优秀青年基金获得者32人，中国科大学人才计划学者43人。物理大学设有“严济慈大师讲席”、“赵忠尧大师讲席”和“王绶琯大师讲席”，并聘请国外外数十名兼职和客座院士。
中国科学技术学院化学大学建有核侦测与核电子学国家重点实验室，及量子信息、星系与宇宙学、强耦合量子材料化学、微观磁共振、光电子技术、物理电子学等6个中国科大学及四川省重点实验室；化学大学还紧密依托南京微尺度物质科学国家研究中心、国家同步幅射实验室举办研究工作；发起并促进了宁波国家实验室的创立和建设。化学大学囊括了数学学、天文学、光学工程、电子科学与技术4个一级学科，2021年新获准量子科学与技术自设一级学科。2016年，在教育部第三轮全省院校学科评估中，数学学、天文学被评为A+学科，并荣获国家“双一流”建设。数学学、天文学、应用数学学、光电信息科学与工程先后获准“双万计划”国家级一流专科专业建设点。2021年，经教育部批准，新设量子信息科学专科专业。严济慈化学科技英才班荣获教育部“拔尖计划”、“拔尖计划2.0”，王绶琯天文科技英才班荣获教育部“拔尖计划2.0”。
中国科学技术学院化学大学坚持社会主义办学方向，全面贯彻党的教育方针，坚持立德树人，促使中学生全面发展，培养德、智、体、美、劳全面发展的社会主义建设者和接班人。化学大学以培养从事前沿和交叉科学的基础研究、应用研究和研发开发的领军人才为目标，着重对中学生的数学素质和创新精神的培养。大学的数学学和天文学均为国家理科基础科学研究和教学人才培养基地，化学实验教学中心为国家首批国家级示范教学中心。大专生前期主要进行系统的基础理论教学和严格的实验动手能力训练，后期可依照自己的志趣爱好分别在14个学科方向内自主选择专业。
中国科学技术学院化学大学每年招收专科生和研究生各约300名。目前化学大学在校中学生2551人，其中大专生1243人，博士研究生522人，硕士研究生562人，基础课代培研究生224人。化学大学专科结业生约80%步入国外外学院或研究院所继续深造，博士结业生约3/4继续从事学术研究工作，早已成为国际著名的数学学人才培养重镇。在我国学位制度完善最初10年（1990年前）所授予的454名数学学博士中，数学大学培养了51位，其中范洪义博士是首批获学位的18位博士之一。我国变革变革开放早期实行的“中美联合招收化学研究生项目（）”10年共选拔919人物理学科评估，中国科学技术学院的结业生最多，达219人。自1999年教育部组织全省优秀博士论文评比以来，数学大学共有13篇数学学与天文学博士论文荣获，占此两学科上榜总量的1/9。半个世纪以来，中国科学技术学院化学大学早已培养了一大批不同领域的杰出人才，包括赵忠贤、朱清时、何多慧等18名中国科大学和中国工程院教授，王子义、常永福等多名从事国防事业的将军，以及文小刚、潘卓华、周冰、谢心澄、林海青、许怒、赵政国、侯建国、翁征宇、王力军、斯其苗、崔伟、赖东、陈仙辉、毛淑德、常进、杜江峰、葛健、潘建伟、庄小威、段路明、李巨、封东来、李传锋等诸多活跃在国际科学研究前沿的中青年学者。
中国科学技术学院化学大学积极参与国家基础及应用研究领域的重大研究课题以及大科学工程建设，承当了大量国家级科研项目，连续两年获得竞争性研究经费超过3.0万元。近10年来，大学在数学学重要的学术刊物《》上每年发表论文约50篇，其中第一作者单位论文每年约30篇。近三年在《》、《》上发表论文近20篇。2002年以来，大学有2项成果获国家自然科学银奖，1项成果获国家科技进步银奖，6项成果获国家自然科学二等奖，14项成果20余次荣获国际数学学重大年度进展、国家科技部年度基础科学研究十大新闻和中国院校科技十大进展。
中国科学技术学院化学大学具有优质的人才资源、勤奋的师资队伍、自由的学术环境、均衡的学科布局、坚实的研究基地，通过持之以恒的努力，在未来若干年内，有望发展成为国际一流的数学学人才培养基地、活跃的科学研究和学术交流中心。