Вперше ця теорія була висунута знаменитим російським хіміком А.М. Бутлеровим в 1861-му році, в його доповіді «Про хімічному будову речовин». Її основні положення можна коротко описати таким чином:

- атоми, що входять до складу органічних молекул, з'єднуються не в хаотичному, а в строго визначеному порядку, згідно з їх валентності-

- властивості органічних молекул залежать не тільки від природи і числа входять до них атомів, а й від хімічної будови молекул-

- кожна формула органічної молекули відповідає певній кількості ізомеров-

- кожна формула органічної молекули дає уявлення про її фізико-хімічних свойствах-

- у всіх органічних молекулах існує взаємний вплив атомів, причому як пов'язаних один з одним, так і не пов'язаних.

Для того часу висунута Бутлеровим теорія стала справжнім проривом. Вона дозволила ясно і чітко пояснити багато моментів, що залишалися незрозумілими, а також дала можливість визначити просторове розташування атомів в молекулі. Правильність теорії була неодноразово підтверджена самим Бутлеровим, який синтезував велику кількість органічних сполук, раніше невідомих, а також рядом інших вчених (наприклад, Кекуле, що висунула припущення про структуру бензольного «кільця») Що, в свою чергу, сприяло швидкому розвитку органічної хімії, перш все, в її прикладному значенні - хімічної промисловості.

Розвиваючи теорію Бутлерова, Я. Вант-Гофф і Ж. Ле Бель припустили, що чотири валентності вуглецю мають чітку просторову орієнтацію (сам атом вуглецю розташований в центрі тетраедра, а його валентні зв'язки як би «спрямовані» до вершин цієї фігури). На основі цього припущення було створено новий розділ органічної хімії - стереохімія.

Теорія хімічної будови, зрозуміло, в кінці 19-го століття не могла пояснити фізико-хімічну природу взаємного впливу атомів. Це вдалося зробити тільки в першій половині 20-го століття, після відкриття структури атома і введенню поняття «електронна щільність». Саме зміщенням електронної щільності і пояснюється взаємний вплив атомів один на одного.