早在1978年刘若庄院士就在北京师范大学创建了以热化学反应研究为主的量子化学研究室，并于1982年由教育部正式批准成立，成为国内最早开展化学反应机理量子化学研究的群体。由于在有机分子反应机理和过渡态理论研究方面的贡献，在1987和1989年分别获得教育部科技二等奖和国家自然科学三等奖。方维海院士于1998年回到北京师范大学工作，开启了理论及计算光化学研究方向。经过师生多年努力，在势能面交叉和羰基化合物光解离机理的直接从头算模拟方向，取得了重要进展，得到国家自然科学基金委重点项目的支持，获得教育部自然科学一等奖，在2009年获批“理论及计算光化学”教育部重点实验室立项，2012年通过验收。
        依托重点实验室，随后培养和引进多位优秀的青年人才，研究队伍不断壮大，研究方向从电子结构计算拓展到非绝热动力学模拟，并将发展激发态电子结构理论和非绝热动力学方法与解决光化学、光生物和光功能材料的机理问题紧密结合，取得了一些突破性进展，在2019年第一次参加教育部重点实验室评估，被评为“优秀”。在此基础上，实验室进一步前瞻性地布局了量子计算和机器学习，目前实验室的主要研究方向是：分子响应性质和光化学过程的量子计算、光化学理论与机制、以及光功能材料的智能化设计和开发。实验室开启了“量子计算化学”这一全新领域，抢占了量子计算化学的学科制高点；同时以国家在新材料领域的重大应用需求为导向，依托实验室的基础研究，创建了“智能计算-精准合成-性能优化”一体化的光功能材料研发新范式，助力企业在关键核心技术上取得突破，实现一些光功能材料的国产化；在理论及计算光化学领域，实验室的整体水平处于国际前沿，有自己的特色和优势。
        目前实验室汇聚了一批杰出中青年人才，其中包括“长江学者奖励计划”特聘教授4人、国家自然科学基金委杰出青年基金项目获得者8人、万人计划科技领军和教学名师2人、国家部委优秀青年人才项目获得者15人，为未来的发展奠定了坚实的基础。