第一性原理计算方法即从头算。它的基本思想是将多个原子构成的体系看成是由多个电子和原子核组成的系统，并根据量子力学的基本原理对问题进行最大限度的“非经验性”处理。它只需要几个基本常数就可以计算出体系的能量和电子结构等物理性质。第一性原理计算可以确定已知材料的结构和基础性质，并实现原子级别的精准控制，是现阶段解决实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。不过，第一性原理计算效率低下，常需引入一些经验参数，来提升计算速度和扩大计算规模，但会不可避免地牺牲一定的计算精度。
第一性原理计算不需要开展真实的实验，极大地节省了实验成本，现已被广泛应用在化学、物理、生命科学和材料学等领域。
第一性原理计算常用软件01USPEX一种专门用于结构预测的进化算法，结合外部电子结构计算程序（VASP，SIESTA和GULP等）来寻找从头算全局自由能最小值。采用遗传操作、原子置换、晶格突变等算子来得到尝试子结构，并对子结构进行筛选，只保留其中若干比例“优质”的结构参与下一代的遗传进化过程，从而快速地收敛到稳定相。优点①成功地实现了对于任意给定温度、压强条件下，仅从材料化学成分组成进行晶体结构预测②无需实验数据，仅从材料的化学成分出发预测晶体结构，特别适用于高温、高压等极限条件下的结构预测。③支持各种晶胞结构的搜索。可以由实验得到的晶胞结构开始搜索，如晶胞参数、晶胞形状、晶胞体积等；也可以由已知和假设结构开始搜索。④通过几片结构的空间粘连，部分保留并考虑了原子的局域排布信息。反映了晶体中强的短程相互作用和当前一代的信息。对于处理较大的体系具有明显优势。⑤置换算法提供了用户自定义哪种原子相互交换的功能，别适用于具有长程化学和似的不同种原子构成的体系。02MaterialsStudioMaterialsStudio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。MS包含多种模块，其核心模块是visualizer，可运行于客户端PC，支持windows和Linux等系统。MS包含有许多重要的功能模块，例如进行第一性原理计算的CASTEP模块，进行分子动力学计算的DMo13模块，进行几何机构优化与预测的GULP模块等等。03VASP只能计算。建模和结果分析要依靠其他程序。VASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。VASP通过近似求解Schrodinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程（已实现了混合泛函计算），也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。VASP采用周期性边界条件（或超原胞模型）处理原子、分子、团簇、纳米线（或管）、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体的问题。04GaussianGaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。主要功能有对分子结构和能量、过渡态的能量和结构化学键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱等的计算。研究周期性体系：Gaussian扩展了化学体系的研究范围，它可以用周期性边界条件的方法（PBC）模拟周期性体系。预测光谱：Gaussian可以计算各种光谱和光谱特性。包括：IR和Raman；预共振Raman；紫外-可见等等。
综合整理与网络