물리학적 세계와 시스템에 대한 수학적 모형을 수립하여 자연 현상을 이해하고, 이를 예측하는 물리학의 한 분야이다.

진정한 의미에서의 자연과학에는 실험을 통한 검증이 반드시 필요하다. 실험 기술이 전문화되고 복잡해지기 전에는 이론 물리와 실험 물리의 엄밀한 구분은 없었다. 이러한 분기점은 대략 20세기 초(대략 엔리코 페르미를 기점으로)로 볼 수 있다.

최근 이론 물리의 경향은 고등 수학과의 접목 내지는 발전이다. 이전까지 순수 수학의 영역에 있던 분야들이 현대 물리의 전반에 접목이 되어 널리 쓰이게 되었다. 리 대수(게이지 이론), 양자 대수 등을 비롯한 대수학, 리만 기하학(일반 상대론)이나 복소기하학, 대수기하학, 대수위상수학(이상 초끈 이론) 등이나, 그래프 이론 등이 물리학에 쓰이고 있다.

대표적인 이론물리학자로는 알베르트 아인슈타인, 스티븐 호킹 등이 있다