物理化學的主要理論支柱在於熱力學、統計力學和量子力學三大部分。其中熱力學和量子力學適用於微觀係統的研究，而統計力學則是它們之間的橋梁。具體來講就是用統計力學方法通過分子、原子的微觀數據來推斷或計算物質的宏觀現象。
物理化學又可以分為化學熱力學、化學動力學和結構化學三大部分。
一般來說，物理化學的主要研究內容可以概括為以下三個方麵：
化學體係的宏觀平衡性質，物理化學通常把熱力學的三個基本定律作為理論基礎，研究宏觀化學體係在氣態、液態、固態、溶解態以及高分散狀態的平衡物理化學性質及其規律性。在這種情況下，時間不作為變量。研究這一類的物理化學的分支學科有化學熱力學、溶液、膠體和表麵化學。
化學體係的微觀結構和性質，這類研究是以量子理論為理論基礎，研究的是原子和分子的結構、物體的體相中原子和分子的空間結構、表麵相的結構，以及結構與物性的規律性。屬於這方麵的物理化學分支學科有結構化學和量子化學。
化學體係的動態性質，它的研究內容是由於化學或物理因素的擾動而引起體係中發生的化學變化過程的速率和變化機理。在這一情況下，時間成為重要的變量。屬於這方麵的物理化學分支學科有化學動力學、催化、光化學和電化學。