物理學是一門自然科學，專注於研究物質、能量、空間和時間，特別是它們各自的性質以及彼此之間的相互關係。物理學家通過觀察和分析大自然中基於物質和能量的各種現象來找出其中的模式。這些模式被稱為「物理理論」，經得起實驗檢驗的常用物理理論被稱為物理定律，直到有一天被證明是有錯誤為止(具可否證性)。
物理學是自然科學中最基礎的學科之一，因為物質和能量是所有科學研究必須涉及的基本要素。化學、生物學、考古學等科學學術領域的理論都是建構於這些物理定律。
物理學的疆界並不是固定不變的，物理學裡的創始突破時常可以用來解釋這些跨領域研究的基礎機制，有時還會開啟嶄新的跨領域研究。例如，由於電磁學的快速發展，電燈、馬達、家用電器等新產品紛紛湧現，人類社會的生活水準也得到大幅提升。由於核子物理學日趨成熟，核能(核分裂)發電已不再是藍圖構想，但其所引致的安全問題也使人們意識到地球環境、生態保育與人類的嬌弱渺小。物理學對於人類文明有極為顯著的貢獻。物理學是一門基礎科學，不是應用科學，但相關的研究理論與領域可運用於相關的應用科學。
雖然物理學的研究範圍十分廣泛，物理學者時常會使用到某些物理學的核心理論。這些理論皆已通過很多不同實驗的多次檢驗，並且對於自然現象的預測被認為足夠準確，例如，古典力學的理論能夠準確地描述物體的運動，但必須滿足兩個前提，一是物體尺寸超大於原子、二是物體運動速度超小於光速。至今，這些核心理論仍舊是很熱門的研究領域。例如，二十世紀後半期，即在牛頓(1642年–1727年)表述古典力學整整三個世紀之後，學者發現與創建了混沌理論，其揭示了力學系統的決定論可預測性是一個錯誤的觀念。
這些核心理論大致包括於古典力學、量子力學、熱力學、統計力學、電磁學、狹義相對論等等基礎物理學領域，是進階研究專門論題的重要工具。
古典物理學
古典物理學包括那些在二十世紀初已成熟的傳統學術分支領域：古典力學、聲學、光學、熱力學、電磁學等等。
古典力學研究受力物體的運動狀況。牛頓定律是古典力學的基礎定律。古典力學分為靜力學、運動學和動力學。靜力學論述處於靜力平衡的物體所感受到力與力矩。運動學描述物體的運動，完全不考慮力或質量等等影響運動的因素。動力學研究改變物體運動的因素與物體運動如何因此改變。按照表述方式的不同，古典力學又可分為向量力學與分析力學。向量力學著重於論述位移、速度、加速度、力等等向量間的關係，而分析力學則從受力物體運動時的拉格朗日量或哈密頓量來分析物體的運動行為。
聲學是研究聲音的製造、控制、傳播、接收與效應的學術領域。超聲波學，生物聲學與電聲學是聲學所包含的一些重要現代分支領域。超音波學研究超過人類聽覺能力的高頻率聲波，在醫學診斷與醫學治療方面有很多重要用途。生物聲學研究涉及動物的聲波。電聲波學研究電聲設備的操控。
光學專注於光的性質與行為的物理學分支領域。光在幾何光學裡被視為光線，能夠以直線移動，直到遇到不同介質時，才會改變方向。反射、折射等現象都可以用幾何光學的理論來解釋。光在物理光學裡被視為光波，能夠用來描述繞射、干涉、偏振等等現象。
熱力學主要研究熱量與機械功彼此之間的轉換。在熱力學裏，通常透過描述物理系統平均性質的宏觀變量，像溫度、內能、熵、壓強等等來解釋自然現象。熱力學研究這些宏觀變量彼此之間的關係(如馬克士威關係式)、以及它們的改變對於物理系統的影響。學習熱力學的起跑點是熱力學定律。熱力學不研究物質的微觀性質，這屬於統計力學領域。從統計力學的理論可以推導出熱力學定律。統計力學應用機率論來研究由大量粒子組成的系統的物理行為。統計力學將單獨原子或分子的微觀性質橋接至大塊物質的宏觀性質，對於這些宏觀性質給出微觀層級的詮釋。在大尺度的實驗中可以測量到這些宏觀性質。
電磁學描述帶電粒子與電場、磁場的交互作用。電磁學的分支有靜電學、靜磁學、電動力學等等。靜電學研究靜止帶電粒子彼此之間的交互作用。靜磁學研究所有涉及常定磁場的現象。電動力學研究所有涉及加速度帶電粒子、電磁輻射、時變電場與時變磁場的現象。古典電磁學的基礎理論是馬克士威方程式與勞侖茲力方程式。光波是電磁波的一種，可由帶電粒子的加速度運動產生。
現代物理學
古典物理學通常用以闡述日常可觀察尺寸的系統現象，而現代物理學通常用以闡述極端或非常大尺寸、非常小尺寸的系統現象。例如，化學元素可以被辨識的最小尺寸是原子物理學或核子物理學探索物質所操作的尺寸。而粒子物理學操作的尺寸則更為微小，它論述的是基本粒子或由基本粒子組成的粒子。由於使用大型粒子加速器來產生基本粒子需要非常巨大的能量，所以通常粒子物理學又稱為高能量物理學。對於粒子物理學所研究的物理系統，那些關於空間、時間、物質、能量的普通常識不再適用，必須加以修改。
現代物理學的兩種核心理論給出關於空間、時間、物質、能量的嶄新繪景。量子力學論述發生於原子層級與次原子層級各種現象的離散性質，以及在關於這些現象的描述裏的粒子與波動的互補性質。相對論闡述，處於某參考系的觀察者，所觀察到在另外一個以相對速度移動的參考系發生的現象。相對論又可分為狹義相對論與廣義相對論。狹義與廣義相對論的區別在於所討論的問題是否涉及重力(彎曲時空)，即狹義相對論只涉及那些沒有重力作用或者重力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是研討那些涉及重力的論題。:
物理學的領域非常廣大，可以根據「距離大小」和「速度快慢」兩個維度，將物理學區分為四大學說領域：
古典力學：當物體間之「距離」很大、物體運動的「速度」相對於光速極小時，這些條件下的物理學屬於古典力學的範疇。主要代表人物為牛頓。
相對論力學：當物體間之「距離」很大、物體運動的「速度」接近於光速時，這些條件下的物理學屬於相對論力學的範疇。主要代表人物為愛因斯坦。
量子力學：當物體間之「距離」很小、物體運動的「速度」相對於光速極小時，這些情況下的物理學屬於量子力學的範疇。代表人物有薛丁格、海森堡、波爾等人。
量子場論：當物體間之「距離」很小、物體運動的「速度」接近於光速時，這些情況下的物理學屬於量子場論的範疇。代表人物則有狄拉克、包利、施溫格和費曼等人。
這些核心理論大致包括於古典力學、量子力學、原子物理學、分子物理學、熱力學、統計力學、電磁學、光子學、相對論、宇宙學及天文學等等基礎物理學領域，是進階研究的重要工具。
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