物理化学的主要理论支柱在于热力学、统计力学和量子力学三大部分。其中热力学和量子力学适用于微观系统的研究，而统计力学则是它们之间的桥梁。具体来讲就是用统计力学方法通过分子、原子的微观数据来推断或计算物质的宏观现象。
物理化学又可以分为化学热力学、化学动力学和结构化学三大部分。
一般来说，物理化学的主要研究内容可以概括为以下三个方面：
化学体系的宏观平衡性质，物理化学通常把热力学的三个基本定律作为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这种情况下，时间不作为变量。研究这一类的物理化学的分支学科有化学热力学、溶液、胶体和表面化学。
化学体系的微观结构和性质，这类研究是以量子理论为理论基础，研究的是原子和分子的结构、物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。
化学体系的动态性质，它的研究内容是由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下，时间成为重要的变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。