Κυριολεκτικά εκατομμύρια χημικές ενώσεις υπάρχουν. Οι τρόποι με τους οποίους αυτές οι ενώσεις και τα συστατικά τους αντιδρούν και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους διέπονται από ορισμένες φυσικές αρχές που εξηγούν τη συμπεριφορά τους. Η φυσική χημεία είναι επομένως το θεμέλιο πάνω στο οποίο στηρίζονται όλα τα άλλα πεδία της χημείας, και αυτή η επιστήμη είναι επίσης σχετική με σχεδόν όλα τα άλλα επιστημονικά πεδία. Η φυσική χημεία περικλείεται από τέσσερις θεματικές ενότητες, συμπεριλαμβανομένης της θερμοδυναμικής, της κβαντικής χημείας, της χημικής κινητικής και της στατιστικής θερμοδυναμικής.
Θερμοδυναμική είναι η μελέτη της μετατροπής της ενέργειας σε θερμότητα και έργο. Σε αυτό το πλαίσιο, το έργο ορίζεται ως η ενέργεια που μεταφέρεται από μια δύναμη. για παράδειγμα, το λάκτισμα μιας μπάλας είναι μια μορφή εργασίας κατά την οποία το άτομο που κλωτσάει την μπάλα μεταφέρει δύναμη από το πόδι του στην μπάλα, προκαλώντας την κίνηση της μπάλας. Η Θερμοδυναμική μελετά επίσης τρόπους με τους οποίους η διαδικασία μετατροπής μπορεί να αλλάξει αλλάζοντας μεταβλητές όπως η πίεση και η θερμοκρασία μέσα σε ένα σύστημα.
Η κβαντική χημεία είναι μια θεωρητική επιστήμη που περιγράφει πώς συνδέονται τα μόρια μεταξύ τους εφαρμόζοντας αρχές της κβαντικής θεωρίας πεδίου και της κβαντικής μηχανικής. Αυτές οι αρχές περιγράφουν πώς συμπεριφέρονται τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια σε διάφορα συστήματα και με τη σειρά τους διέπουν το πώς συμπεριφέρονται τα μόρια. Θεωρητικά όλα τα χημικά συστήματα μπορούν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας κβαντική χημεία, αλλά στην πράξη μόνο πολύ απλά συστήματα μπορούν να διερευνηθούν με ακρίβεια.
Η χημική κινητική μελετά τους ρυθμούς των χημικών διεργασιών. Ο ρυθμός μιας δεδομένης χημικής διαδικασίας είναι απλώς η ταχύτητα με την οποία συμβαίνει μια χημική αντίδραση. Για παράδειγμα, αντιπαραβάλετε τον ρυθμό οξείδωσης του σιδήρου, που είναι μια πολύ αργή διαδικασία, με τον ρυθμό καύσης του καυσίμου, που είναι μια διαδικασία κλασμάτων του δευτερολέπτου. Η χημική κινητική μελετά επίσης πώς μεταβαλλόμενες μεταβλητές όπως η πίεση και η θερμοκρασία αλλάζουν τον ρυθμό με τον οποίο συμβαίνουν οι αντιδράσεις.
Αυτές οι τρεις πτυχές της φυσικής χημείας συνδέονται με μια τέταρτη, που ονομάζεται στατιστική θερμοδυναμική. Αυτό το πεδίο ασχολείται με την κατανομή ενέργειας στα χημικά συστήματα και επίσης συνδέει τον μικροσκοπικό και τον μακροσκοπικό κόσμο. Ο κύριος στόχος της στατιστικής θερμοδυναμικής είναι να ερμηνεύσει τις μακροσκοπικές ιδιότητες διαφόρων τύπων ύλης σε σχέση με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστατικών μικροσκοπικών μορίων και σωματιδίων τους.
Μέσω της μελέτης αυτών των τεσσάρων εννοιών, η σύγχρονη φυσική χημεία επιδιώκει να κατανοήσει πολύπλοκα χημικά προβλήματα στο πλαίσιο των βιολογικών, περιβαλλοντικών και υλικών επιστημών. Παρόλο που πρόκειται για ευρέως ανόμοια πεδία, οι αρχές της φυσικής χημείας είναι σχετικές με όλους, συμπεριλαμβανομένων των βιολογικών καθώς και των φυσικών και χημικών επιστημών. Πρόκειται στην πραγματικότητα για μια άκρως πολυεπιστημονική επιστήμη, ακριβώς επειδή οι χημικές αρχές που μελετά σχετίζονται με όλα τα βιολογικά και χημικά συστήματα.