Burtiski pastāv miljoniem ķīmisko savienojumu. Veidus, kā šie savienojumi un to sastāvdaļas reaģē un mijiedarbojas savā starpā, nosaka noteikti fiziski principi, kas izskaidro to uzvedību. Tāpēc fizikālā ķīmija ir pamats, uz kura balstās visas pārējās ķīmijas jomas, un šī zinātne attiecas arī uz praktiski visām citām zinātnes jomām. Fizikālo ķīmiju ietver četras priekšmetu jomas, tostarp termodinamika, kvantu ķīmija, ķīmiskā kinētika un statistiskā termodinamika.
Termodinamika ir pētījums par enerģijas pārvēršanu siltumā un darbā. Šajā kontekstā darbs tiek definēts kā enerģija, ko pārnes spēks; piemēram, sitiens ar bumbu ir darba veids, kurā persona, kas sit bumbu, pārnes spēku no kājas uz bumbu, izraisot bumbas kustību. Termodinamika pēta arī veidus, kā konversijas procesu var mainīt, mainot mainīgos lielumus, piemēram, spiedienu un temperatūru sistēmā.
Kvantu ķīmija ir teorētiska zinātne, kas apraksta, kā molekulas saista viena ar otru, piemērojot kvantu lauka teorijas un kvantu mehānikas principus. Šie principi apraksta, kā atomi un subatomiskās daļiņas uzvedas dažādās sistēmās, un savukārt nosaka molekulu uzvedību. Teorētiski visas ķīmiskās sistēmas var aprakstīt, izmantojot kvantu ķīmiju, bet praksē var precīzi izpētīt tikai ļoti vienkāršas sistēmas.
Ķīmiskā kinētika pēta ķīmisko procesu ātrumus. Noteiktā ķīmiskā procesa ātrums ir tikai ātrums, ar kādu notiek ķīmiskā reakcija. Piemēram, kontrastējiet dzelzs oksidēšanās ātrumu, kas ir ļoti lēns process, ar degvielas sadegšanas ātrumu, kas ir process, kas aizņem sekundes daļu. Ķīmiskā kinētika arī pēta, kā mainīgie mainīgie lielumi, piemēram, spiediens un temperatūra, maina reakciju ātrumu.
Šos trīs fizikālās ķīmijas aspektus saista ceturtais, ko sauc par statistisko termodinamiku. Šī joma ir saistīta ar enerģijas sadali ķīmiskajās sistēmās, kā arī saista mikroskopisko un makroskopisko pasauli. Statistiskās termodinamikas galvenais mērķis ir interpretēt dažāda veida vielu makroskopiskās īpašības saistībā ar to veidojošo mikroskopisko molekulu un daļiņu mijiedarbību.
Izpētot šos četrus jēdzienus, mūsdienu fizikālā ķīmija cenšas izprast sarežģītas ķīmiskās problēmas bioloģisko, vides un materiālu zinātņu kontekstā. Lai gan šīs ir ļoti atšķirīgas jomas, fizikālās ķīmijas principi attiecas uz visiem, tostarp bioloģiskajām, kā arī fizikālajām un ķīmiskajām zinātnēm. Faktiski šī ir ļoti daudzdisciplīnu zinātne, jo tās pētītie ķīmiskie principi attiecas uz visām bioloģiskajām un ķīmiskajām sistēmām.