تستخدم الكيمياء الإشعاعية العديد من النظريات الكمومية، من أهمها:
1- نظرية الكم: وهي النظرية التي تفسر سلوك الجسيمات الصغيرة في العالم الدقيق، مثل الإلكترونات والفوتونات.
2- نظرية المستويات الطاقوية: وتفسر كيف تتفاعل الإلكترونات مع النواة في ذرة، وكيف يتم امتصاص وانبعاث الإشعاعات الكهرومغناطيسية.
3- نظرية الانحرافات الإلكترونية: وهي نظرية تفسر حركة الإلكترونات في الكثير من العناصر الكيميائية، وتساعد في فهم تفاعل الإشعاعات الكهرومغناطيسية مع مادة.
4- نظرية الجرعات الحرجة: وهي نظرية تستخدم لتحديد الجرعة اللازمة للحد من خطر الإشعاع على الإنسان والبيئة.