理論數學專業是研究物質的基本結構和基本運動規律的一門學科，它既是數學學的理論基礎，又與數學學乃至自然科學其它領域好多重大基礎和前沿研究密切相關。理論化學學通過為現實世界構建物理模型來企圖理解所有化學現象的運行機制。通過"數學理論"來條理化、解釋、預言化學現象。
1.粒子化學理論
具體包括強子化學(如粲偶素化學、自旋化學、格點規范等)、標準模型和超出標準模型的新數學(如CP破壞、輻射修正、超對稱的量子效應等)等。該方向研究集體是國家自然科學基金捐助的全省惟一一個理論化學方面的"創新研究群體"。
2.原子核理論
具體包括如原子核內的夸克
自由度、極端條件下的核結構、原子核的代數模型及微觀基礎、原子核的集體運動模式及其相變、超重核的結構及合成反應、核天體化學、相對論性重離子碰撞、強互相作用物質的成份、形態、相及相變等。
3.場論和宇宙學
包括如弦理論、共形場論、非對易幾何、宇宙甚初期演變及宇宙結構等。
4.匯聚態理論和統計數學
包括介觀體系輸運性質和強關聯系統統計模型、高溫超導理論、強電磁場等極端條件下匯聚態物質的性質等。
5.估算化學及其應用
包括多粒子系統的研究方式、對稱性理論和技巧、模擬估算方式等。
6.估算流體熱學
估算流體熱學(Fluid，CFD)是一門發展迅速的學科。估算流體熱學出現于20世紀60年代理論物理系就業方向，經過幾六年的發展，早已成為流體科學領域中與理論流體熱學和實驗流體熱學鼎足而立的重要學科。估算流體熱學作為大規模科學估算學科群的一員，將在21世紀繼續得到迅速發展。估算流體熱學是一門交叉性很強的學科。它的理論基礎是理論流體熱學和估算物理，主要是用離散化的數值方式及電子計算機對流體無粘繞流和黏性流動進行數值模擬和剖析的學科。它的應用遍布所有與流動現象有關的學科及工業領域。在動力工程和流體機械等領域有重大的應用。
7.估算匯聚態化學
匯聚態化學學是從微觀角度出發，研究由大量粒子(原子、分子、離子、電子)組成的匯聚態的結構、動力學過程及其與宏觀化學性質之間的聯系的一門學科。估算匯聚態化學是用第一性原理、蒙特卡羅方式、分子動力學、密度泛函理論等方式，對低維匯聚態化學、自旋電子學、納米材料、固體量子信息等進行估算研究。因為匯聚態化學的基礎性研究常常與實際的技術應用有著緊密的聯系，匯聚態化學學的成果是一系列新技術、新材料和新元件，在現今世界的高新科技領域起著關鍵性的不可取代的作用。近些年來匯聚態化學學的研究成果、研究方式和技術日漸向相鄰學科滲透、擴展，有力的推動了例如物理、物理、生物化學和月球化學等交叉學科的發展。
8.生物化學學
生物化學學是生命科學和數學學的交叉所產生的一門新的學科，是當前最富活力的研究領域之一。生物化學學應用化學學的概念、技術和技巧研究生物各層次結構與功能的關系，生命活動的化學、物理物理過程，和物質在生命活動過程中表現的化學特點，它從基本的物質結構和互相作用出發，在原子分子水平上揭示種種復雜的生命現象的運動規律和機理。生物化學學除了在了解自然現象的基礎研究上有重大的意義，并且在醫學、藥物學、農業、仿生工業等方面有著重要的應用，與諸多的人類生活息息相關。我們的研究集中于結構生物化學學。主要研究方向有蛋白質結構預測、生物分子分類、分子對接和分子功能預測等。
9.引力與相對論天體化學
該方向是本學科傳統的、有特色和優勢的方向，有著常年的研究工作積累和深厚的基礎，尤其重視基礎理論和基本問題的研究，在廣義相對論、黑洞化學、量子引力、高維引力、宇宙學、中子星與密物質化學等廣泛領域做出了大量有意義的研究成果，在國外外形成了積極的影響，與國際同行有良好的學術交流關系。
10.統計數學與非線性科學
該方向既重視非線性動力學的理論研究，又旨在于理論與實驗、應用的結合。非常在隨機共振和時空混沌及其控制的研究方面取得了一系列成果，發表了多篇具有開創性的處于國際領先水平的學術論文，遭到國際學術界同行的廣泛關注，成果多次獲國家和教育部獎勵。
11.極端條件下新物質和形態的研究
在非線性、塵埃與激光等離子體中的非線性相干結構，向湍流轉變的現象和機制、原子核偏析與裂變動力學、建立描述重離子碰撞機制和原子核多重崩裂的理論模型研究以及粒子化學強互相作用中手征對稱性自發破缺等國際前沿方向上做了一系列創新的工作。據悉理論物理系就業方向，在彈道反常擴散、激光等離子體尾波、納原子團簇研究以及重夸克化學等研究方面也作出了一些有影響的工作。