Kvantitativna analitička kemija utvrđuje količine poznatih tvari u uzorku. Takvi se testovi rutinski izvode radi kontrole kvalitete, kao što je primjerice razina aktivnih sastojaka u hladnim tabletama. Kvalitativna analitička kemija nastoji znati, ne koliko, već što je prisutno – identitete nepoznatih tvari. Ova određivanja nisu uvijek rutinska i mogu biti prilično složena. Fizikalne i kemijske karakteristike određuju se što je brže moguće i jeftinije, koristeći kombinaciju pažljivo odabranih instrumentalnih i mokrih metoda ispitivanja.
Kvalitativnu analitičku kemiju najprikladnije je podijeliti u dvije vrste: organsku analizu i anorgansku analizu. Organska kvalitativna analitička kemija je složenija od ove dvije. Postoje milijuni mogućih organskih spojeva, od kojih su tisuće poznati i okarakterizirani. Tipična organska molekularna struktura može uključivati alifatske lance ili prstenove, aromatske prstenove, eterske veze, hetero-atome, dvostruke i trostruke veze plus alkoholne, karbonilne i karboksilne funkcije. Instrumentalne metode identifikacije su bitne i obično uključuju plinsko-tekućinsku kromatografiju i elektroforezu, kao i infracrvenu, ultraljubičastu i masenu spektroskopiju.
Organska kvalitativna analitička kemija jedan je od najzanimljivijih i najvažnijih kolegija koji se predaju na sveučilištima. Zahtijeva složeno poznavanje niza vrsta kemijskih reakcija, kao i opće razumijevanje instrumentacije i sposobnost čitanja spektra, uključujući spektre nuklearne magnetske rezonancije. Poznavanje kemijske stabilnosti je bitno, budući da neki testovi mogu oštetiti ili uništiti uzorak ili predstavljati opasnost po sigurnost. Kolegij također pokazuje studentovo poznavanje važnih izvora podataka, uključujući povijesno neprocjenjivu Beilsteinovu biblioteku organskih spojeva i njihovih derivata – koja se sastoji od tisuća unosa. Beilstein je još uvijek važan resurs.
Farmaceutska industrija vitalno ovisi o tehnici kvalitativne organske analitičke kemije poznatoj kao tankoslojna kromatografija (TLC). Ploča, možda staklena, ima ravnomjeran sloj adsorpcijskog materijala. Sićušne kapi materijala uzorka stavljaju se na vrh nakošene ploče i razdvajanje se postiže opadajućom fazom otapala. Ova tehnika zahtijeva samo količine u tragovima i ne zahtijeva povišene temperature koje mogu oštetiti tvari osjetljive na toplinu. Spojevi se odvajaju dok putuju u različite trake, iz kojih se svaki može povratiti i kvantitativno izmjeriti, ako se želi.
Anorganska kvalitativna analitička kemija primjenjuje se uglavnom na kemiju bez ugljika, uključujući metalne, metaloidne, hidroksilne, karbonatne i vodikove ione. Testiranje može započeti jednostavnim testom plamena ili mjerenjem pH vrijednosti ili ručnom titracijom. Nekada su standardne metode mokrog ispitivanja uvelike zamijenjene modernim instrumentalnim metodama, kao što su atomska apsorpcija ili atomska emisijska spektroskopija. Složena određivanja mogu koristiti rendgensku kristalografiju, skenirajuću elektronsku mikroskopiju (SEM) i infracrvenu spektroskopiju Fourierove transformacije (FTIR). Primjene uključuju analizu okoliša i analizu materijala.