Sistema kimikoen propietateak eta portaera gobernatzen dituzten printzipio fisikoak aztertzen ditu kimika fisikoak. Oinarrizko zenbait lege fisiko eta eredu aplikatuz, problema kimikoak modu kuantitatibo eta matematikoan tratatzen dira kimika fisikoan.

Sistema kimiko bat ikuspuntu makroskopiko edo mikroskopikotik azter daiteke. Ikuspuntu mikroskopikoak molekularen kontzeptua erabiltzen du oinarritzat. Ikuspuntu makroskopikoak, berriz, materiaren eskala handiko propietateak aztertzen ditu, molekularen kontzeptua esplizituki erabili gabe.

Kimika fisikoa lau arlo nagusitan sailka daiteke: termodinamika, kimika kuantikoa, mekanika estatistikoa eta zinetika. Termodinamika zientzia makroskopikoa da, eta sistema baten oreka-propietateen arteko loturak aztertzen ditu, eta baita prozesuetan gertatzen diren oreka-propietateen aldaketak ere. Termodinamikan aldagai makroskopikoak erabiltzen dira sistemak deskribatzeko, hala nola presioa, dentsitatea, tenperatura, barne-energia, entalpia edo entropia. Gai nagusi hauez arduratzen da: gas, likido eta solidoen propietateak eta transformazioak (espantsioa-konpresioa, berotzea, fase-aldaketak), disoluzioak (idealak eta ez-idealak, elektrolitoenak eta elektrolito ez direnenak), erreakzio kimikoen orekako konposizioa eta energia-aldaketak, gainazalen termodinamika eta sistema elektrokimikoak (pila galvanikoak eta elektrolitikoak).

Molekulak elektroiz eta nukleoz osatuta daude, eta ez dituzte betetzen fisika klasikoaren legeak, mekanika kuantikoarenak baizik. Mekanika kuantikoa egitura atomikoari eta lotura kimikoari aplikatzea da kimika kuantikoa. Kimika kuantikoak mekanika kuantikoaren printzipioak erabiltzen ditu, esaterako, uhin-funtzioa eta energien kuantizazioa. Horien bidez, atomoen propietateak aurresaten ditu, hala nola atomoen erradioa edo energia-maila kuantizatuak. Orbital atomikoaren kontzeptuaren bidez, atomoen konfigurazio elektronikoak, ionizazio-energiak eta erradio ionikoak aurresan daitezke. Atomoak konbinatzen direnean molekulak sortzeko, lotura kimikoak eratzen dira, eta kimika kuantikoaren bidez aurresan daitezke haien propietateak: molekulen lotura-energiak, disoziazio-energiak, orbital molekularren betetze-ordena eta molekulen geometriak. Atomo eta molekulen propietateak ikertzeko, kimika fisikoak bi tresna nagusi erabiltzen ditu: kalkulu teorikoak eta espektroskopia. Kalkulu teorikoetan, kimika kuantikoko ekuazioak ebazten dira ordenagailuen bidez, eta zehaztasun-maila handiko emaitzak lortzen dira. Kimika kuantikoan informatika-programa estandarrak erabili ohi dira molekula konplexuen propietateak aurresateko. Molekulen propietateak esperimentalki neurtzeko teknikarik egokiena espektroskopia da, erradiazio elektromagnetikoaren eta molekulen arteko elkarrekintzan oinarritzen dena. Espektroskopiaren bidez, molekulen energia-mailei buruzko informazio zuzena lortzen da, eta baita orekako geometriak, bibrazio-frekuentziak, disoziazio-energiak, ionizazio-energiak edo orbital molekularrei buruzko informazioa ere, besteak beste.

Mekanika estatistikoa deskribapen mikroskopikoaren eta makroskopikoaren arteko loturaz arduratzen da. Termodinamikako legeak azaltzen laguntzen du, eta propietate makroskopikoak kalkulatzen ditu propietate mikroskopikoetan oinarrituz. Mekanika estatistikoaren atal bat gasen teoria zinetikoari dagokio. Horren bidez, gas baten abiaduren banaketa, pareta baten kontrako talkak eta efusioa, tenperaturaren interpretazio mikroskopikoa, molekulen arteko talkak eta gasen bero-ahalmenak aurresaten dira. Erreakzio kimikoen oreka-propietateak eta energia-aldaketak kalkulatzen ditu mekanika estatistikoak, erreakzioan parte hartzen duten molekulen propietate mikroskopikoen funtzioan. Adibidez, erreakzio baten entalpia-aldaketa kalkula daiteke erreaktiboen eta produktuen geometria molekularrak, bibrazio-frekuentziak edo disoziazio-energiak erabiliz. Orekako mekanika estatistikoan (termodinamika estatistiko ere baderitzo) oreka termodinamikoan dauden sistemak aztertzen dira. Ez-orekako mekanika estatistikoan, garraio-propietateak eta erreakzio kimikoen abiadurak aztertzen dira.

Zinetikan, prozesuen abiadurak aztertzen dira, hala nola erreakzio kimikoak eta difusioa. Zinetikak termodinamikako, kimika kuantikoko eta mekanika estatistikoko atalak erabiltzen ditu. Zinetika kimikoaren zereginetako bat da erreakzio kimikoen abiadurak neurtzea eta abiadura-legeak deduzitzea. Halaber, erreakzio kimikoen mekanismoak proposatzeko eta erreakzio-abiaduraren tenperaturaren araberako aldaketa aurresateko erabiltzen da. Zinetika kimikoan erreakzio-mota asko ikertzen dira, adibidez: kate-erreakzioak, polimerizazio-erreakzioak, erreakzio azkarrak, gas-faseko eta fase likidoko erreakzioak, katalisiaren fenomenoa, katalisi entzimatikoa, katalisi heterogeneoa edo erreakzio elektrokimikoak (elektrodoaren eta disoluzio ionikoaren arteko faseartean ematen direnak). Zinetika mikroskopikoan, erreakzio-abiadurak aurresaten dira molekulen propietateetan oinarrituz. Horretarako, zenbait teoria garatu dira; hona hemen esanguratsuenak: esfera zurrunen talka-teoria, konplexu aktibatuaren teoria edo dinamika molekularraren metodoak.

Kimika fisikoa kimika modernoaren eremu berrien aitzinean kokatzen da. Esate beterako, portaera kuantikoaren aplikazioen artean aipa daitezke banda-tarteak (edo banda debekatuak), puntu eta putzu kuantikoak, telegarraioa eta konputazio kuantikoa. Molekula soilen espektroskopiaren bidez, zinetika kimikoa hobeto ulertzea lortu da. Gainazal-zientziari esker, katalisi heterogeneoaren mekanismoak hobeto ulertzen dira, eta tunel-efektuaren mikroskopiak eskala atomikoko elektrokimikari bide eman dio.