二十世紀初期，物理學者發現經典物理學存在著極嚴重的瑕疵：邁克耳孫-莫雷實驗的零結果不符合經典物理學的預測，黑體輻射譜不符合熱力學的預測，經典電磁學無法解釋光電效應與原子光譜，放射性物質的物理性質貌似與經典物理學的決定論背道而馳。這些瑕疵給學術界帶來了一場前所未有的考驗，徹底地動搖了舊理論體系的基石，導致了二十世紀物理學兩大理論體系相對論和量子力學的出現，進而開始了現代物理學的紀元。相對論和量子力學對于這些難題給出合理解答。

不僅如此，物理學者應用相對論和量子力學于像原子、分子等等的微觀系統，以及各種凝聚態宏觀系統，從而更為深切地揭示大自然的工作機制，并且促進物質文明蓬勃發展。

雖然物理學的研究范圍十分廣泛，物理學者時常會使用到某些物理學的核心理論。這些理論皆已通過很多不同實驗的多次檢驗，并且對于自然現象的預測被認為足夠準確，例如，經典力學的理論能夠準確地描述物體的運動，但必須滿足兩個前提，一是物體尺寸超大于原子、二是物體運動速度超小于光速。當今，這些核心理論仍舊是很熱門的研究領域。

例如，二十世紀后半期，即在牛頓（1642年–1727年）表述經典力學整整三個世紀之后，學者發現與創建了混沌理論，其揭示了力學系統的決定論可預測性是一個錯誤的觀念。這些核心理論大致包括于經典力學、量子力學、熱力學、統計力學、電磁學、狹義相對論等等基礎物理學領域，是進階研究專門論題的重要工具。