以物理學的原理和實驗技術為基礎，研究化學體系的性質和行為，發現化學體系的特殊規律並建立新的化學體系的化學分支學科。主要應用熱力學、統計物理學和量子力學的基本理論和實驗方法，研究化學變化過程的方向性、速率和限度以及與過程相伴隨的體系的能量變化，化學反應機理和控制反應的條件，探討物質結構與其性質間的關係等，是化學學科和化學工藝的基礎。
簡史 一般認為，物理化學的形成是以1887年德國國化學傢W.奧斯特瓦爾德和荷蘭化學傢J.H.范托夫創辦德文期刊《物理化學》為起點。從這個時期到20世紀初，物理化學以化學熱力學的蓬勃發展為其主要特征。熱力學第一定律和熱力學第二定律被廣泛應用於各種化學體系，特別是溶液體系的研究。出現瞭許多對化學熱力學有重要貢獻的理論工作，例如J.W.吉佈斯對多相平衡體系的研究和范托夫對化學平衡理論的研究、阿倫尼烏斯電離理論、能斯特熱定理，都是在這個時期完成的。1901、1907年G.N.路易斯提出處理非理想體系的逸度和活度概念，以及它們的測定方法之後，化學熱力學的全部基礎已經趨於完備。同時，M.von勞厄和W.H.佈拉格對X射線晶體結構分析的創造性研究為經典的晶體學向近代結晶化學的發展奠定瞭基礎。S.A.阿倫尼烏斯所提出的化學反應活化能的概念以及M.博登施坦和W.H.能斯特關於鏈反應的概念，構成瞭化學動力學的基本框架。
20世紀20～40年代是結構化學快速發展的時期，這時的物理化學研究已深入到原子和分子的微觀世界，從而逐步改變著對分子內部結構的復雜性茫然無知的狀況。1926年，量子力學研究的興起，使物理化學界感受到瞭這一理論的啟示。1927年，W.H.海特勒和F.倫敦運用量子力學原理成功地處理瞭氫分子體系，為1916年路易斯提出的以共享電子對為基礎的共價鍵概念提供瞭理論基礎。1931年L.鮑林和J.C.斯萊特又創造性地把這種處理方法推廣到其他雙原子分子和多原子分子，並形成瞭具有普適性的價鍵理論。1932年，R.S.馬利肯和F.H.洪德在處理氫分子的問題時，根據不同的物理模型選用不同的波函數的原則，又進而發展成為分子軌道理論。價鍵理論和分子軌道理論成為近代化學鍵理論的基礎。鮑林等提出的雜化軌道、氫鍵和電負性等概念，其物理模型簡單明瞭，不僅適用於簡單的化學體系，對結構化學的發展亦起瞭重要的作用。與此同時，M.波拉尼和H.艾林根據倫敦的計算完成瞭H+H2二元體系反應勢能面的繪制，並提出與反應速率和反應過程相關的過渡態理論。利用這個理論，原則上可以根據參加反應的分子結構數據計算出有關反應的速率。在這個時期，物理化學其他分支的研究工作，如由C.N.欣謝爾伍德和N.N.謝苗諾夫各自代表的兩個學派分別發展的自由基鏈式反應動力學，P.J.W.德拜和E.休克爾的強電解質離子間的互相作用理論，以及電化學中通過電極過程研究而提出的氫超電勢理論等，也都或多或少地帶有微觀的色彩。
第二次世界大戰後到60年代期間，物理化學以實驗研究手段和測量技術，特別是各種譜學技術的飛躍發展和由此而產生的豐碩成果為其特點。微電子學、高真空技術和計算機技術的突飛猛進，不但使物理化學的傳統實驗方法和測量技術的準確度、精密度和時間分辨率有很大提高，而且還出現瞭許多新的譜學技術。如從40年代中期開始，陸續出現的電子自旋共振譜儀、核磁共振譜儀、X射線光電子能譜儀、紫外光電子能譜儀、穆斯堡爾譜儀以及閃光光解、激波管和溫度躍升等以能量弛豫為特點的技術相繼問世，以及具有時間分辨能力的多種譜學技術、計算機技術及數值方法的問世和不斷改進，使得物理化學的研究對象從穩定物種的基態得以進入激發態和其他亞穩態體系的研究領域，光化學首先獲得瞭長足的進步，不僅因為物理光學技術已經相當成熟，而且在描述和解釋光子和其他物質微粒的相互作用時，量子力學已經能夠勝任。加上人們對光合作用的持久不息的研究熱情和對激光技術的應用前景的一致看好，光化學迅速地成長為在理論上、實驗技術上比較成熟的分支學科。與此同時，其他外力或外場作用下化學體系的物理化學研究也隨之得到重視和發展。雖然對於相關過程的物理圖像或理論解釋還不夠成熟，但由於和高新技術關系密切，研究熱情經久不衰，並且分別形成瞭不同的學科和研究領域，如等離子體化學、激波化學、聲化學、摩擦化學、磁化學等。快速靈敏的檢測手段和時間分辨技術的不斷更新，改善瞭研究化學反應機理的條件，提高瞭研究結論的可靠性。人們不僅可以捕捉到反應過程中出現的那些壽命極短的瞬態中間物種，而且有可能同時獲得有關它們的結構和能態等多方面的信息。
先進的儀器設備和檢測手段也提高瞭結構測定的速率與效率，復雜的生物大分子晶體結構的測定，是晶體化學領域的重大突破之一。如青黴素、維生素B12、蛋白質、胰島素的結構測定和脫氧核糖核酸的螺旋體構型的測定陸續獲得成功。表面能譜技術的出現和不斷完善，使得結構化學研究能夠從物體的體相擴展到表面相，有力地推動著固體表面化學和催化劑領域的研究工作不斷發展。
20世紀60年代，基於激光器的發明和激光技術的不斷改進、大容量高速電子計算機的出現，以及微弱信號檢測手段的發展，孕育著物理化學中新的生長點的誕生。70年代以來，分子反應動態學、激光化學和表面結構化學代表著物理化學的前沿陣地。研究對象從一般鍵合分子擴展到準分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非整比化合物。高真空技術、分子束技術和激光技術的結合，在實驗中不但能控制化學反應的溫度和壓力等條件，進而對反應物分子的內部量子態、質點能量和空間取向實行調制，從而可以開展對設定能態的分子或原子間反應機理的研究。隨著超短脈沖激光技術的出現，90年代的時間分辨率已經提高到飛秒(10−15秒)的水平，並有可能在21世紀初發展到阿秒(10−18秒)的水平。從而派生出態態化學（選態化學）、飛秒化學等新的分支學科。
中國物理化學的發展歷史，以1949年中華人民共和國建立為界，大致可以分為兩個階段。20世紀30～40年代，盡管當時物質條件較差，中國物理化學傢在化學熱力學、電化學、膠體和表面化學、分子光譜學、X射線結晶學、量子化學等方面仍然做出過不少高質量的成果，並且培養瞭許多物理化學方面的人才，為1949年以後的發展奠定瞭基礎。1949年以後的半個多世紀裡，中國高等教育事業和科學技術研究得到瞭空前的重視，除瞭高等學校化學系普遍設置瞭物理化學專業或教研室之外，中國科學院還成立瞭專門的物理化學研究所，並先後創辦瞭多種以物理化學及其分支學科為主要內容的學術刊物，如《物理化學學報》、《催化學報》等。後來又有計劃地分批組建瞭一批以物理化學前沿分支學科為重點的實驗室或研究基地。到20世紀末，中國不僅有瞭比較完整的物理化學各分支的研究隊伍和人才培養基地，而且在結構化學、晶體化學、量子化學、催化科學與技術、電化學、分子反應動態學、光化學、熱化學、表面化學和膠體化學等領域都取得瞭大量高水平的研究成果。
研究內容、方法和特點 隨著科學的迅速發展和各門學科之間的相互滲透，物理化學與物理學、無機化學、有機化學之間存在著越來越多的互相重疊的新領域，從而不斷地派生出許多新的分支學科，如物理有機化學、生物物理化學、化學物理學等。物理化學還與許多非化學的學科有著密切的聯系，如冶金過程物理化學、海洋物理化學。一般公認的物理化學的研究內容大致可以概括為三個方面：
①化學體系的宏觀平衡性質。以熱力學的三個基本定律為基礎，研究宏觀化學體系（含有分子數目量級在1023左右的體系）在氣態、液態、固態、溶解態以及高分散狀態的平衡態物理化學性質及其規律性。由於以平衡態為前提，時間不再是變量。屬於這方面的物理化學分支學科有化學熱力學、化學統計力學、溶液化學、膠體化學和表面化學。
②化學體系的微觀結構和性質。以量子力學為理論基礎，研究分子、分子簇和晶體的結構，物體的體相中原子和分子的空間結構、表面相的結構，以及結構與物性之間的關系與規律性。屬於這方面的物理化學分支學科有結構化學、晶體化學和量子化學。
③化學體系的動態性質。研究由於化學或物理因素的擾動而引起的體系的化學變化過程速率和變化機理。此時，時間是與過程密切相關的重要變量之一。屬於這方面的物理化學分支學科有化學動力學、化學動態學、催化科學與技術、光化學、電化學、磁化學、聲化學、力化學（以摩擦化學為代表）等。
在理論研究方面，快速大型電子計算機和數值方法的廣泛應用，擴展瞭量子化學在定量計算方面的能力。研究對象不僅涉及大分子，還可用以模擬復雜體系的動態過程。福井謙一提出的前線軌道理論以及R.B.伍德沃德和R.霍夫曼提出的分子軌道對稱守恒原理，是量子化學應用於具體化學體系時的重要理論成果。但是仍然沒有達到人們所期望的利用量子化學為基礎解決和認識所有化學問題的水平。量子力學基本原理和化學實驗的緊密結合將有助於解決這個問題。為此，發展能夠應用於復雜分子體系的量子化學計算方法是實現上述目標的前提之一。因而W.科恩以電子密度泛函理論和J.波普爾以量子化學計算方法及模型化學等研究成果獲得瞭1998年的諾貝爾化學獎。
發展趨勢 物理學和數學的成就，加上計算機技術的飛速發展，為物理化學的發展提供瞭新的領域。由於不再局限於方程的解析解、數值方法的應用，使得固體、彈性體和其他非理想體系均已成為物理化學的研究對象，為材料科學與技術的研究增添瞭新的理論武器，並且更加接近工程實際。20世紀70年代初，I.普裡戈金等提出的耗散結構理論，使得物理化學的理論體系由傳統的平衡態熱力學擴展到全新非平衡態熱力學的領域，而對遠離平衡的體系穩定性的理解，將有助於人們對於很多實際過程包括生命過程認識的深化。
80年代後期，以掃描隧道顯微術為代表的微觀顯微學的興起，推動瞭納米科學與技術的發展。納米材料不僅有著極強的應用背景，有關材料的合成、表征、功能和它們的應用研究，往往涉及多種學科和技術，並且和絕大部分的化學領域有著極為密切的關系，為現代化學的發展提供瞭一個嶄新的研究領域。由於納米尺度的微粒所包含粒子數的量級和經典的物理化學體系偏離甚遠，因而適合納米體系的物理化學理論研究和實驗方法的開發，將成為21世紀物理化學中的另一個極具挑戰性的新領域。
催化是化學研究中的永久課題之一。在化工生產、能源、農業、生命科學、醫藥等領域都有及其重要的意義，但至今對於催化作用的原理和大多數催化過程的反應機理仍然存在著疑問，還不能隨心所欲地設計出對於某個特殊反應體系具有高效催化作用的催化劑。組合化學方法的應用可以加速有效催化劑的篩選過程，將有助於加速催化理論的發展。
酶催化和仿酶催化研究是催化科學與技術中的新興領域，它將促進結構化學、合成化學、化學生物學和物理學、生物學和其他技術領域的相互滲透，並將在大幅度提高化工生產率的同時，促使綠色化學目標的實現。