中國科學技術學院化學大學由化學系、近代化學系、光學與光學工程系、天文學系、工程與應用數學系和化學實驗教學中心等單位組成。建校之初，知名化學學家嚴濟慈、趙忠堯、施汝為、張文裕、錢三強、錢臨照、彭桓武、馬大猷、朱洪元等人曾在各系兼任重要職務并執教多年。歷任院長沈保根教授，執行校長陳宇翱院士，黨委主任陳向軍院士。
1958年，中國科學技術學院在上海創立之時，所構建的13個系中與化學直接相關的有7個系，其中原子核化學和原子核工程系、技術化學系及數學教研室是現今化學大學的主體源頭。1964年，中學以學科為基礎將全校合并成6個系，原子核化學和原子核工程系改名為近代化學系，技術化學系吸納了生物化學系、地球化學系而改名為化學系。1994年，中學創立了以強化學術交流為目標的理大學，囊括物理、物理、化學、天文、地學、生物諸多學科。2000年，在物理與材料科學、生命科學、地球與空間科學等系先后建成實體大學后，理大學成為實體大學，包括物理、物理、近代數學、天文與應用化學等4個系。2009年，物理系析出，理大學改名為化學大學。同年，以光學學科及中國科大學量子信息重點實驗室等為基礎組建光學與光學工程系；化學實驗教學中心獨立建制；天文與應用數學系改名為天文學系。2018年，工程與應用數學系組建。
化學大學共有教職職工451人，其中院士115人，副院長（含特任院長）109人，任期制科研人員173人。現有中國科大學與中國工程院教授（含外聘）17名，國家級教學名師2人，教育部人才計劃19人（含青年學者），國家千人計劃入圍者16人（含青年人才）物理學科評估，國家杰出青年基金獲得者41人，國家創新人才計劃人才50人，國家優秀青年基金獲得者32人，中國科大學人才計劃學者43人。物理大學設有“嚴濟慈大師講席”、“趙忠堯大師講席”和“王綬琯大師講席”，并聘請國外外數十名兼職和客座院士。
中國科學技術學院化學大學建有核偵測與核電子學國家重點實驗室，及量子信息、星系與宇宙學、強耦合量子材料化學、微觀磁共振、光電子技術、物理電子學等6個中國科大學及四川省重點實驗室；化學大學還緊密依托南京微尺度物質科學國家研究中心、國家同步幅射實驗室舉辦研究工作；發起并促進了寧波國家實驗室的創立和建設。化學大學囊括了數學學、天文學、光學工程、電子科學與技術4個一級學科，2021年新獲準量子科學與技術自設一級學科。2016年，在教育部第三輪全省院校學科評估中，數學學、天文學被評為A+學科，并榮獲國家“雙一流”建設。數學學、天文學、應用數學學、光電信息科學與工程先后獲準“雙萬計劃”國家級一流專科專業建設點。2021年，經教育部批準，新設量子信息科學專科專業。嚴濟慈化學科技英才班榮獲教育部“拔尖計劃”、“拔尖計劃2.0”，王綬琯天文科技英才班榮獲教育部“拔尖計劃2.0”。
中國科學技術學院化學大學堅持社會主義辦學方向，全面貫徹黨的教育方針，堅持立德樹人，促使中學生全面發展，培養德、智、體、美、勞全面發展的社會主義建設者和接班人。化學大學以培養從事前沿和交叉科學的基礎研究、應用研究和研發開發的領軍人才為目標，著重對中學生的數學素質和創新精神的培養。大學的數學學和天文學均為國家理科基礎科學研究和教學人才培養基地，化學實驗教學中心為國家首批國家級示范教學中心。大專生前期主要進行系統的基礎理論教學和嚴格的實驗動手能力訓練，后期可依照自己的志趣愛好分別在14個學科方向內自主選擇專業。
中國科學技術學院化學大學每年招收專科生和研究生各約300名。目前化學大學在校中學生2551人，其中大專生1243人，博士研究生522人，碩士研究生562人，基礎課代培研究生224人。化學大學專科結業生約80%步入國外外學院或研究院所繼續深造，博士結業生約3/4繼續從事學術研究工作，早已成為國際著名的數學學人才培養重鎮。在我國學位制度完善最初10年（1990年前）所授予的454名數學學博士中，數學大學培養了51位，其中范洪義博士是首批獲學位的18位博士之一。我國變革變革開放早期實行的“中美聯合招收化學研究生項目（）”10年共選拔919人物理學科評估，中國科學技術學院的結業生最多，達219人。自1999年教育部組織全省優秀博士論文評比以來，數學大學共有13篇數學學與天文學博士論文榮獲，占此兩學科上榜總量的1/9。半個世紀以來，中國科學技術學院化學大學早已培養了一大批不同領域的杰出人才，包括趙忠賢、朱清時、何多慧等18名中國科大學和中國工程院教授，王子義、常永福等多名從事國防事業的將軍，以及文小剛、潘卓華、周冰、謝心澄、林海青、許怒、趙政國、侯建國、翁征宇、王力軍、斯其苗、崔偉、賴東、陳仙輝、毛淑德、常進、杜江峰、葛健、潘建偉、莊小威、段路明、李巨、封東來、李傳鋒等諸多活躍在國際科學研究前沿的中青年學者。
中國科學技術學院化學大學積極參與國家基礎及應用研究領域的重大研究課題以及大科學工程建設，承當了大量國家級科研項目，連續兩年獲得競爭性研究經費超過3.0萬元。近10年來，大學在數學學重要的學術刊物《》上每年發表論文約50篇，其中第一作者單位論文每年約30篇。近三年在《》、《》上發表論文近20篇。2002年以來，大學有2項成果獲國家自然科學銀獎，1項成果獲國家科技進步銀獎，6項成果獲國家自然科學二等獎，14項成果20余次榮獲國際數學學重大年度進展、國家科技部年度基礎科學研究十大新聞和中國院校科技十大進展。
中國科學技術學院化學大學具有優質的人才資源、勤奮的師資隊伍、自由的學術環境、均衡的學科布局、堅實的研究基地，通過持之以恒的努力，在未來若干年內，有望發展成為國際一流的數學學人才培養基地、活躍的科學研究和學術交流中心。