以往人們在新材料研制過程中，往往采用“試錯法”，導致大量資源、人力浪費。隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，材料按需設計、實現使役性能的精確控制已成為先進材料發展的一個必然趨勢。

材料使役行為的預測、設計與控制是在對材料成分－結構－組織－性能關系的清楚認識基礎上，通過理論與計算準確預報新材料的組分、結構和性能，在微觀、介觀、宏觀層次上進行材料設計和制備，從而開發具有精準多級結構、體現設計性能的新型材料。它可以幫助人們創制新材料和大大減少材料研發和測試的成本和時間，這是人們追求的長遠目標。

材料設計可按研究對象設計的空間尺度而大致劃分為三個層次：微觀設計層次，其尺度在納米量級，即所謂原子、電子層次的設計；連續模型層次，尺度在微米量級，材料被當作連續介質；工程層次設計，尺度對應于宏觀材料，涉及大塊材料與零件的加工過程和使用性能的設計研究。

對于功能材料，如磁性材料、光學材料，決定其功能性質的機制相對較單純，通常電子結構層次的計算即可解決其中的大部分問題，但對于結構材料，特別是其力學性能往往與宏觀設計、微觀組織、電子結構等多個尺度相關，因而力學性質本質上是多尺度問題，需要多尺度的聯合模擬來進行研究。

材料設計理念，如仿生、超組裝、復雜復合材料體系以及納米科技，加上由計算機建模提供的進一步理解和可預測能力，未來將有新材料不斷涌現以滿足需求。

目前我國已處在應用理論和計算來設計材料的初級階段，半導體超晶格材料、非線性光學晶體和自旋電子材料等都是材料設計的成功范例。目前關于材料設計的范式尚未最終建立，主要的材料設計途徑有以下幾方面：

1）材料數據庫的建立；2）基于多層次的理論認識建立微觀結構參數與性質的定量關系；3）材料生態設計的理論和方法；4）材料的計算設計、建模與仿真、虛擬制造與加工；5）材料壽命與服役行為預測；6）材料設計專家系統；7）基于第一性原理的計算。