Kvantna teorija atoma u molekulama (engl. Quantum Theory of Atoms in Molecules, skraćeno QTAIM) na temelju analize elektronske gustoće, dobivene temeljem kvantno-mehaničkih izračuna ili empirijski metodama, omogućuje bolje razumijevanje strukture molekule, kemijskih veza i međumolekulskih interakcija. Na temelju matematičkog formalizma kojim se analizira elektronska gustoća, sustavima se određuju karakteristični topološki parametri koji omogućuju karakterizaciju promatranog sustava. Promatrani sustavi mogu biti jednostavne male molekule, ali i relativno veliki poput polimernih struktura, molekulskih ili ionskih kristala. Analizom dobivenih vrijednosti topoloških parametara u tzv. kritičnim točkama moguće je jedinstveno odrediti područje koje pripada jednom atomu, ali i protumačiti karakter veze između dva ili više atoma. S obzirom na pristup u kojem je cijela molekula sastavljena od atoma točno definiranih granica, moguće je jasno odrediti volumen i energiju jednog atoma, te aditivno odrediti vrijednosti koje se odnose na čitavu molekulu. Primjena kvantne teorije atoma u molekulama ima široku primjenu, od analiza veza i populacijske analize diskretnih molekula, proučavanja vodikovih i halogenskih veza u organskim i anorganskim sustavima do ispitivanja aktivnih mjesta u velikim biološkim sustavima. Na takav način pomaže boljem razumijevanju veznih i neveznih interakcija i davanju smjernica za sintezu novih spojeva na temelju teorijskih izračuna.