物理化學是根據運動、能量、力、時間、熱力學、量子化學、統計力學、分析動力學和化學平衡等物理學原理、實踐和概念研究化學系統中宏觀和微觀現象的學科。

與化學物理學相反，物理化學主要（但不總是）是一門超分子科學，因為它所依據的大多數原理都與體積有關，而不僅僅是分子或原子結構（例如，化學 平衡和膠體）。

物理化學努力解決的一些關系包括：

• 作用于材料物理特性（塑性、拉伸強度、液體中的表面張力）的分子間作用力。
• 關于反應速率的反應動力學。
• 離子的特性和材料的電導率。
• 細胞膜的表面科學和電化學。
• 一個物體與另一個物體在熱量和功方面的相互作用稱為熱力學。
• 在相變或發生化學反應的過程中，化學系統與其周圍環境之間的熱傳遞稱為熱化學
• 研究溶液中存在的物種數量的依數性。
• 階段數、組件數和自由度（或方差）可以借助階段規則相互關聯。
• 電化學電池的反應。
• 使用量子力學的微觀系統和使用統計熱力學的宏觀系統的行為。

物理化學的關鍵概念是將純物理學應用于化學問題的方法。

經典化學中的一個關鍵概念是所有化合物都可以描述為鍵合在一起的原子團，而化學反應可以描述為這些鍵的形成和斷裂。 從原子的描述中預測化合物的性質以及它們如何鍵合是物理化學的主要目標之一。 為了精確地描述原子和鍵，有必要知道原子核的位置以及電子在原子核周圍的分布情況。

量子化學是物理化學的一個子領域，特別關注將量子力學應用于化學問題，它提供了確定鍵的強度和形狀、原子核如何移動以及化合物如何吸收或發射光的工具。 光譜學是物理化學的相關子學科，專門研究電磁輻射與物質的相互作用。

化學中的另一組重要問題涉及哪種反應可以自發發生，以及給定的化學混合物可能具有哪些性質。 這是在化學熱力學中研究的，它對數量進行了限制，例如反應可以進行多遠，或者有多少能量可以在內燃機中轉化為功，并提供了熱膨脹系數和變化率等特性之間的聯系 熵與氣體或液體的壓力。 它經常可用于評估反應堆或發動機設計是否可行，或檢查實驗數據的有效性。 在一定程度上，準平衡和非平衡熱力學可以描述不可逆的變化。 然而，經典熱力學主要關注處于平衡狀態和可逆變化的系統，而不是實際發生了什么，或者偏離平衡的速度有多快。

哪些反應會發生，反應速度有多快，是物理化學的另一個分支——化學動力學的主題。 化學動力學的一個關鍵思想是，為了使反應物發生反應并形成產物，大多數化學物質必須經歷過渡態，過渡態的能量高于反應物或產物，并作為反應的障礙。 一般來說，勢壘越高，反應越慢。 第二個是大多數化學反應都是作為一系列基本反應發生的，每個反應都有自己的過渡態。 動力學中的關鍵問題包括反應速率如何取決于溫度以及反應混合物中反應物和催化劑的濃度，以及如何設計催化劑和反應條件以優化反應速率。