สารเคมีนับล้านมีอยู่จริง วิธีการที่สารเหล่านี้และองค์ประกอบของพวกเขาตอบสนองและมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันถูกควบคุมโดยหลักการทางกายภาพบางอย่างที่อธิบายพฤติกรรมของพวกเขา เคมีเชิงกายภาพจึงเป็นรากฐานที่สาขาเคมีอื่น ๆ ทั้งหมดได้วางเอาไว้และวิทยาศาสตร์นี้ก็มีความเกี่ยวข้องกับสาขาวิทยาศาสตร์อื่น ๆ แทบทั้งหมด เคมีเชิงฟิสิกส์นั้นครอบคลุมไปถึงสี่สาขาวิชา ได้แก่ อุณหพลศาสตร์เคมีควอนตัมจลนพลศาสตร์เคมีและอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติ
อุณหพลศาสตร์คือการศึกษาการแปลงพลังงานเป็นความร้อนและการทำงาน ในบริบทนี้งานหมายถึงพลังงานที่ถูกถ่ายโอนโดยแรง ตัวอย่างเช่นการเตะบอลเป็นรูปแบบหนึ่งของการทำงานที่คนที่เตะบอลส่งกำลังจากเท้าของพวกเขาไปยังบอลทำให้ลูกบอลเคลื่อนที่ อุณหพลศาสตร์ยังศึกษาวิธีที่กระบวนการเปลี่ยนแปลงสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนตัวแปรเช่นความดันและอุณหภูมิภายในระบบ
ควอนตัมเคมีเป็นศาสตร์เชิงทฤษฎีซึ่งอธิบายว่าโมเลกุลเชื่อมโยงกันโดยใช้หลักการของทฤษฎีสนามควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัม หลักการเหล่านี้อธิบายถึงวิธีการที่อะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมทำงานในระบบต่าง ๆ และในทางกลับกันจะควบคุมการทำงานของโมเลกุล ตามทฤษฎีระบบเคมีทั้งหมดสามารถอธิบายได้โดยใช้เคมีควอนตัม แต่ในทางปฏิบัติระบบที่ง่ายมากเท่านั้นที่สามารถตรวจสอบได้อย่างแม่นยำ
จลนพลศาสตร์เคมีศึกษาอัตราของกระบวนการทางเคมี อัตราของกระบวนการทางเคมีที่กำหนดคือความเร็วที่เกิดปฏิกิริยาเคมี ตัวอย่างเช่นเปรียบเทียบอัตราการเกิดออกซิเดชันของเหล็กซึ่งเป็นกระบวนการที่ช้ามากโดยมีอัตราการเผาไหม้เชื้อเพลิงซึ่งเป็นกระบวนการแบบเสี้ยววินาที จลนพลศาสตร์เคมียังศึกษาว่าการเปลี่ยนแปลงตัวแปรเช่นความดันและอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดปฏิกิริยาอย่างไร
เคมีเชิงกายภาพทั้งสามนี้เชื่อมโยงกันด้วยหนึ่งในสี่เรียกว่าอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติ สาขานี้เกี่ยวข้องกับการกระจายพลังงานในระบบเคมีและยังเชื่อมโยงโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์และมหภาค เป้าหมายหลักของอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติคือการตีความคุณสมบัติขนาดมหึมาของสสารชนิดต่าง ๆ ที่สัมพันธ์กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและอนุภาคของกล้องจุลทรรศน์
ผ่านการศึกษาแนวคิดทั้งสี่นี้เคมีกายภาพสมัยใหม่พยายามเข้าใจปัญหาทางเคมีที่ซับซ้อนในบริบทของวิทยาศาสตร์ชีวภาพสิ่งแวดล้อมและวัสดุศาสตร์ แม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะมีความแตกต่างกันอย่างกว้างขวาง แต่หลักการของเคมีเชิงฟิสิกส์มีความเกี่ยวข้องกับทุกคนรวมถึงวิทยาศาสตร์ชีวภาพและวิทยาศาสตร์กายภาพและเคมี นี่คือความจริงแล้วเป็นวิชาสหวิทยาการที่มีความแม่นยำสูงเนื่องจากหลักการทางเคมีที่ศึกษานั้นเกี่ยวข้องกับระบบชีวภาพและเคมีทั้งหมด
