Analytische Chemiker arbeiten typischerweise an den äußersten Grenzen der Analyse und erweitern und verbessern die Fähigkeit aller Chemiker, aussagekräftige Messungen an kleineren Proben, an komplexeren Proben, auf kürzeren Zeitskalen und an in niedrigeren Konzentrationen vorhandenen Spezies durchzuführen. Im Laufe ihrer Geschichte hat die analytische Chemie viele der Werkzeuge und Methoden bereitgestellt, die für die Forschung in den anderen vier traditionellen Bereichen der Chemie erforderlich sind, und außerdem die multidisziplinäre Forschung gefördert, um nur einige zu nennen: medizinische Chemie, klinische Chemie, Toxikologie, forensische Chemie, Materialwissenschaften, Geochemie und Umweltchemie.
Die analytische Chemie beginnt mit einem Problem. Beispiele hierfür sind die Bewertung der von Kindern aufgenommenen Staub- und Bodenmenge als Indikator für die Umweltbelastung durch Partikelschadstoffe, die Aufklärung widersprüchlicher Beweise zur Toxizität von Perfluorpolymeren bei der Verbrennung oder die Entwicklung schneller und empfindlicher Detektoren für chemische Kampfstoffe. An diesem Punkt beinhaltet der analytische Ansatz eine Zusammenarbeit zwischen dem analytischen Chemiker und den für das Problem verantwortlichen Personen. Der sichtbarste Teil des analytischen Ansatzes findet im Labor statt. Im Rahmen des Validierungsprozesses werden geeignete chemische oder physikalische Standards verwendet, um alle verwendeten Geräte und Lösungen zu kalibrieren, deren Konzentrationen bekannt sein müssen. Anschließend werden die ausgewählten Proben analysiert und die Rohdaten aufgezeichnet.
Anschließend werden die während des Experiments gesammelten Rohdaten analysiert. Häufig müssen die Daten reduziert oder in eine leichter analysierbare Form gebracht werden. Eine statistische Aufbereitung der Daten dient der Bewertung der Genauigkeit und Präzision der Analyse und der Validierung des Verfahrens. Diese Ergebnisse werden mit den Kriterien verglichen, die bei der Versuchsplanung festgelegt wurden. Anschließend wird die Versuchsplanung überdacht, weitere Versuche durchgeführt oder eine Lösung für das Problem vorgeschlagen. Wenn eine Lösung vorgeschlagen wird, werden die Ergebnisse einer externen Bewertung unterzogen, die zu einem neuen Problem und dem Beginn eines neuen Analysezyklus führen kann.