물리학의 이론적 방법과 실험적 방법을 이용하여 물질의 구조, 성질, 화학 반응 등을 연구하는 화학의 한 분야. 여기에 쓰이는 물리학의 이론은 열역학, 양자 역학, 통계 역학, 분자 운동학 등이다.

역사적으로 보면 19세기 말에 열역학이 도입되어 상태론, 용액론, 화학 평형론 등이 체계화되었다. 1920년대에는 양자 역학 이 성립되면서 화학 결합론, 분자 구조론, 화학 반응론 등에 양자 역학을 적용시키는 일이 활발해 졌다. 이 물리 화학의 한 분야가 양자 화학이다. 또한 통계학을 적용하여, 하나 하나의 원자나 분자의 성질에서 원자나 분자가 다수 모인 물질계의 성질을 구성할 수 있게 되었다.

최근에는 화학 반응의 진행 속도에 관한 문제를 취급하는 반응 속도론도 발전되어 가고 있다.