النظرية الخلوية هي نظرية علمية أساسية في علم الأحياء تقول بأن الخلايا هي الوحدة الأساسية لجميع الأشكال الحية، سواء كانت نباتية أو حيوانية، وأن الخلايا تظهر في مختلف الأشكال وتفترض وظيفة معينة في حياة الكائن الحي.
في الكيمياء الحيوية، يمكن تطبيق النظرية الخلوية من خلال دراسة المكونات الخلوية وجزيئاتها وظهورها ودورها في ظروف الحياة. وتتركز الاهتمام في الكيمياء الحيوية على الآليات والعمليات المختلفة التي تطرأ على المكونات الخلوية والجزيئات في الكائنات الحية، وكيفية التفاعلات بينها وتأثير ذلك على الوظيفة الكاملة للخلية والكائن الحي بشكل عام.
ويمكن استخدام المنهج الكمي في الكيمياء الحيوية لتحليل عمليات الخلايا والجزيئات الحيوية المختلفة، مثل أيونات الهيدروجين (pH)، وعملية التمثيل الغذائي، والبروتينات والأحماض النووية والتفاعلات الأيضية الحيوية الأخرى.