用物理和物理化學的概念、理論和方法來研究有機化學的基礎學科。是現代有機化學的理論基礎，也是高分子化學、生物有機化學和藥物化學的理論基礎之一。
簡史 20世紀初，隨著一些重要反應中間體的相繼報導，物理有機化學的研究漸見雛形。1899年J.施蒂格利茨、1901年J.F.諾裏斯和F.凱爾曼相繼提出瞭碳正離子中中間體的概念，1900年M.岡伯格發現瞭三苯基甲基自由基，1903年E.佈赫納提出瞭卡賓。與此同時，一些重要的物理有機化學概念，如電子取代基效應（凱爾曼）、立體位阻效應（V.邁爾）以及基於動力學研究來闡明有機化學反應機理的研究也相繼提出。至20世紀30年代，價鍵理論（G.N.路易斯）、酸堿理論（J.N.佈侖斯惕、T.M.勞裡和路易斯）、共振論（L.鮑林）和中介論（R.羅賓森和C.K.英戈爾德）、分子軌道理論（E.休克爾）等的提出和發展，以及佈侖斯惕和L.P.哈米特提出用線性自由能相關來研究有機化合物結構性能關系，為物理有機化學的發展打下瞭堅實的基礎。1940年哈米特的著作《物理有機化學：反應速度、平衡和機理》正式開拓瞭物理有機化學的新紀元。自此，有機化學由過去經驗觀察的積累走向用物理化學的方法定量研究有機反應活性。20世紀50年代以來，隨著分子軌道理論的不斷發展，構象分析、前線軌道理論、分子軌道對稱守恒原理等重要理論概念的提出，計算技術的發展及在理論化學計算中的應用，特別是作為分析手段的各種波譜學方法和作為分離手段的各種色譜技術的出現和不斷完善，物理有機化學的發展取得瞭更大的進展。特別是60年代物理有機化學的研究取得瞭輝煌的成就，這一時期的工作後來取得瞭如下諾貝爾化學獎：1981年分子軌道對稱守恒原理(R.霍夫曼)、前線軌道理論（福井謙一），1987年主客體化學（C.J.佩德森、D.J.克拉姆、J.-M.萊恩），1992年電子轉移理論（R.A.馬庫斯），1994年穩定碳正離子（G.A.歐拉）。
基本范疇和重要概念 ①分子結構。化學鍵理論（共價鍵、共振、原子軌道、分子軌道、雜化軌道、反鍵軌道和分子軌道理論）、立體化學（鍵長和鍵角、單鍵的構象，雙鍵的異構體、手性中心的立體異構體）。②化學反應性。化學平衡、化學動力學、過渡態、取代基效應（誘導效應、離域效應和立體效應）、張力效應、立體化學和反應活性、動力學和熱力學的關系。③反應機理研究的方法。產物分析、反應中間體研究、動力學反應級數、溶劑效應、反應活性的溫度關系、同位素效應、位置選擇性和立體選擇性研究、標記和交叉實驗等。④結構性能關系定量研究。佈侖斯惕方程、線性自由能關系、哈米特方程等。
研究內容 主要研究反應中所包含的化學物種（包括穩定化合物和活潑中間體）的能量狀態、電子分佈和所處環境與它們的化學行為之間的關系。
反應機理研究 物理有機化學的基本內容之一。反應機理就是研究反應發生的實際過程，也即闡明整個反應所包含的中間體的種類和數目，連接反應物、中間體和產物的所有過渡態，以及它們的結構和能量狀態等。隻包含一個過渡態的反應稱為元反應，而大多數有機反應都是由多個元反應構成的，因而反應機理也就是闡明反應所包含的元反應的數目和類型。過去，有機反應僅僅從形式上來分類，如加成、消除、取代、縮合、分解、重排、聚合、氧化還原等反應類型。按照反應機理可將反應進行更合理的分類。如按中間體的類型分為碳負離子反應、碳正離子反應、自由基反應、卡賓反應以及不含中間體的周環反應等；按反應試劑的性質又可分為親核、親電以及中性物種（如自由基、卡賓）和光激發的反應等類型；從元反應發生的方式可歸納為相合（attachment，包括加成、偶合等）、脫離（detachment，包括消去、碎片化等）、取代、重排等基本類型。化學動力學、化學熱力學、立體化學、同位素標記和動力學同位素效應等是研究反應機理的常用手段。對反應中間體、過渡態的類型和結構的研究是反應機理問題的核心，也是把物理有機化學的各個方面貫穿起來的線索。已發現的活性中間體有碳正離子、碳負離子、自由基、負離子基和正離子基、卡賓、氮賓、芳炔、葉立德等。
結構–性能關系研究 主要是用相關分析等數學方法定量地處理取代基等結構因素對反應速率和平衡的影響，以及對有機分子的各種物理性質、波譜參數、生物化學活性和藥理活性等的影響；相關分析也被用來處理溶劑效應等其他問題。現越來越多地應用分子軌道理論和量子化學計算等方法來研究結構與性能的關系。
環境對反應活性的影響 包括傳統的溶劑效應和有機結構的環境如液晶、膠團、基體、模板和宿主–客體絡合物等對有機分子的性質和反應過程的影響。氣相分子–離子反應的研究是個新興領域，對於瞭解溶劑效應和分子的內在性質都是十分重要的。分子間的弱相互作用，如疏水親脂相互作用，氫鍵等對有機分子化學行為及生物功能的影響，是物理有機化學近年來引人註意的研究課題。超分子化學的迅速發展是這方面的典型示例。
其他問題 物理有機化學研究的其他問題還有：新的理論、新的研究方法和經驗規律的探索；基礎性的動力學和熱力學數據的測定；具有特殊理論意義或特殊性質的新分子體系的合成；激發態化學；對穩定分子和活潑中間體的動態結構研究；新的物理方法和儀器的研究、應用和改進等。用物理有機化學的概念和手段，如動力學、同位素標記、立體化學探針、結構–性能關系研究等來研究生物過程中或與生物過程有關的有機化學反應的機理，以及對生化過程的化學模擬如酶模型的研究等也是物理有機化學的重要組成部分，是最活躍的領域之一。物理有機化學與金屬有機化學的結合構成瞭另一活躍的邊緣領域。
推薦書目
PERRIN C L. Encyclopedia of Physical Science and Technology: Vol.12.3rd ed. New York: Academic Press, 2002.
TIDWELL T T, RAPPOPORT Z, PERRIN C L. Physical Organic Chemistry for the 21st Century. Pure & Appl. Chem., 1997, 69(2).