研究微波與物質相互作用的物理學分支學科。涉及微波與宏觀物質及帶電粒子的集合相互作用的學科稱為微波經典物理學，內容包括微波在波導和介質中的傳播，微波作用於物質結構時發生的物理現象（如散射、幹涉及衍射等），以及微波對於物質的熱效應等。基本的研究方法是根據物質的宏觀電磁性質和邊界條件求解宏觀電磁場的麥克斯韋方程組。微波經典物理學構成瞭微波的工程應用（微波技術）的基礎。
微波量子物理學 研究內容包括微波與電子、原子、分子、原子核、凝聚態和等離子體態物質的相互作用中涉及微觀量子效應的問題。電子自旋磁矩和核磁矩是用量子理論才能解釋的微觀物理現象。鐵磁性來源於電子自旋磁矩的平行排列。超導電性的成因是形成瞭庫珀電子對，庫珀對的結成隻有用量子力學才能解釋。第二次世界大戰的末期及其後相繼發現瞭多種微波與物質相互作用的磁共振現象，即電子順磁共振(1944)、核磁共振(1945)、鐵磁共振(1946)等。特別是發現某些分子的轉動波譜頻率剛好落在1～10吉赫的微波頻率范圍內，這類精細或超精細結構的譜線躍遷能量差過小，用光譜學方法不可能分辨，而隻能用微波技術分辨，由此形成瞭微波波譜學。通過這些共振現象和微波波譜學的研究，對原子、分子、原子核和固體中的譜線精細結構和超精細結構有瞭深入的認識，導致微波激射器(1955)和激光器（1960年）相繼問世，形成瞭量子電子學。
微波的能量子hν（h是普朗克常數，ν是微波頻率）極其微小，h是一個已被精確測量的基本物理常數，微波頻率也可測得很準。微波能量子可反映超精細效應，微波技術便成為研究微觀世界的有力工具。低的能量子和高度的精確性是微波量子物理學的兩個基本特點，由此可導致一些獨特的應用。如超導隧道結的交流約瑟夫森效應中出現的物理常數e和h的比值已有很精確的測量值，用微波技術可精確測量振蕩圓頻率ω，結電壓U0便可精確確定，現已用約瑟夫森結取代標準電池作為電壓基準。
微波光學 微波經典物理學的分支，這是由微波與光學相互滲透而形成的學科。光波與微波有很多共性，它們都是電磁波，波動光學的所有現象（包括反射、折射、散射、幹涉和衍射）在微波都會發生，微波波長比光波長大幾個數量級，在微波頻段衍射效應通常不能忽略。由於光學歷史久遠，發展成熟，微波光學的研究大都偏重於在微波的研究和工程應用中借鑒光學方法。幾何光學本是光波波長趨於無限小的情況下對光波的傳播定律所作的近似，近期光學的射線方法已廣泛用於分析微波在介質中的傳播，目標對雷達波的散射，以及建築物等障礙對移動通信傳播路徑影響的研究。在透鏡天線和口面天線的設計中，幾何光學方法作為一階理論已廣泛應用，標量衍射理論也用於計算天線的遠區輻射圖。在纖維光學、束波導、開放式諧振腔、光波導元件設計等領域也都使用幾何光學方法。在外加有恒定電場或磁場的情況下，光波在某些固態物質中傳播時所發生的法拉第效應、霍耳效應、克爾效應、塞曼效應、斯塔克效應、科頓–穆頓效應等在微波頻率也會出現，其中的一些也應用於制作隔離器、相移器和環行器等微波器件。微波的方法也應用於光學設計中，如微波傳輸線方法應用於多層光學薄膜設計，但這類應用還不多見。