光学分析法是利用物质所发射的辐射或辐射与物质的相互作用建立起来的一类分析方法，包括紫外可见分光光度法、红外光谱法、核磁共振光谱法及原子吸收分光光度法等吸收光谱法，荧光光谱法、原子发射光谱法、x射线光谱法等发射光谱法，等等。色谱法是利用物质在互不相溶的两相问作用力的差异建立起来的一类极有效的分离、分析多组分混合物的方法，按照流动相的物理状态可以分为气相色谱法、液相色谱法、超临界流体色谱法，也可根据分离原理的不同分为吸附、分配、离子交换、空间排阻与亲和色谱法等。除了上述三类方法外，还有许多其他仪器分析方法，如质谱法、热分析法、中子活化分析法。仪器分析方法具有灵敏度高、分析速度快、提供的信息丰富、易实现自动化等特点，因此尤其适合于低含量组分的测定、生产过程的控制分析、未知样品的鉴定等。仪器分析的主要局限在于需要使用价格较高的仪器设备，操作、维护要求一般也较高。
化学分析和仪器分析孰轻孰重不能一概而论，某种方法对其适合的分析对象都有独特的优势，以满足一些特殊的分析要求。此外，化学分析和仪器分析是互为补充的，甚至某些方法即为两者的有机结合。例如，电位滴定法是将滴定分析与电位分析两种方法结合，以电位分析法作为滴定反应终点的确定方法。又如，在进行仪器分析之前，常需用化学方法对试样进行预处理，以除去试样中的干扰物质、对被测组分进行富集等。在建立测定方法的过程中，很多仪器分析方法需要采用已知含量的基准物（标准品）作为参照，而基准物的含量则常需以化学法测定，因此化学分析方法与仪器分析方法不可分割，前者是后者的基础。
分析化学的起源可以追溯到炼金术、炼丹术时期，鉴定、分析手段有效地促进了古代冶炼、酿造等技术的发展。18世纪至19世纪，逐步发展了金属系统定性分析、重量分析、容量分析等方法。然而，将物理化学溶液理论中的酸碱平衡、配位平衡、氧化还原平衡和沉淀平衡理论引入分析化学，建立了四大滴定方法和理论，才标志着分析化学从一种技术演变成为一门科学。
20世纪初，物理学和电子学的发展，彻底改变了以经典化学分析为主的局面，多种仪器分析方法应运而生，并在科学生产巾发挥了重要作用。其中，英国化学家马丁和辛格由于发明分配色谱法获得1952年诺贝尔化学奖，美国科学家布洛赫和珀赛尔因建立核磁共振法而共同获得1952年诺贝尔物理学奖，捷克斯洛伐克科学家海洛夫斯基由于开创极谱学获1959年诺贝尔化学奖。仪器分析方法的快速发展成为这一时期分析化学学科的特点。
近年来，随着信息科学、计算机技术、激光、纳米技术、功能材料、化学计量学等新技术、新材料和新方法的引入，分析化学已经发展成一门以多学科为基础的综合性科学。从采用的手段看，分析化学是在综合利用物理学（如光、电、热、声和磁）、化学和生物学理论的基础上，进一步采用数学、计算机科学等学科的新方法、新技术，对物质进行更全面、更深入的分析。从解决的问题看，分析化学的任务已不局限于测定物质的组成及含量，还要对物质的形态（价态、结合状态等）、结构（包括空间分布）、微区形态、化学和生物活性等进行分析及过程监控。
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