Obstaja dobesedno na milijone kemičnih spojin. Načine, na katere te spojine in njihove sestavine reagirajo in medsebojno delujejo, urejajo določeni fizikalni principi, ki pojasnjujejo njihovo vedenje. Fizikalna kemija je torej temelj, na katerem temeljijo vsa druga področja kemije, ta znanost pa je pomembna tudi za skoraj vsa druga znanstvena področja. Fizikalno kemijo zajemajo štiri predmetna področja, vključno s termodinamiko, kvantno kemijo, kemijsko kinetiko in statistično termodinamiko.
Termodinamika je preučevanje pretvorbe energije v toploto in delo. V tem kontekstu je delo opredeljeno kot energija, ki jo prenaša sila; na primer brcanje žoge je oblika dela, pri kateri oseba, ki brca žogo, prenaša silo s svoje noge na žogo, kar povzroči premikanje žoge. Termodinamika preučuje tudi načine, kako se lahko proces pretvorbe spremeni s spreminjanjem spremenljivk, kot sta tlak in temperatura v sistemu.
Kvantna kemija je teoretična znanost, ki opisuje, kako se molekule vežejo med seboj z uporabo načel kvantne teorije polja in kvantne mehanike. Ta načela opisujejo, kako se atomi in subatomski delci obnašajo v različnih sistemih, in posledično urejajo obnašanje molekul. Teoretično je mogoče vse kemične sisteme opisati s kvantno kemijo, v praksi pa je mogoče natančno raziskati le zelo preproste sisteme.
Kemijska kinetika proučuje hitrosti kemičnih procesov. Hitrost določenega kemičnega procesa je preprosto hitrost, pri kateri pride do kemične reakcije. Na primer primerjajte hitrost oksidacije železa, ki je zelo počasen proces, s hitrostjo zgorevanja goriva, ki je proces v delčku sekunde. Kemijska kinetika preučuje tudi, kako spreminjajoče se spremenljivke, kot sta tlak in temperatura, spreminjajo hitrost reakcij.
Ti trije vidiki fizikalne kemije so povezani s četrtim, imenovanim statistična termodinamika. To področje se ukvarja z distribucijo energije v kemičnih sistemih, povezuje pa tudi mikroskopski in makroskopski svet. Glavni cilj statistične termodinamike je razlagati makroskopske lastnosti različnih vrst snovi glede na interakcije med mikroskopskimi molekulami in delci, ki jih sestavljajo.
S preučevanjem teh štirih konceptov želi sodobna fizikalna kemija razumeti kompleksne kemijske probleme v kontekstu bioloških, okoljskih in materialnih znanosti. Čeprav so to zelo različna področja, so načela fizikalne kemije pomembna za vse, vključno z biološkimi ter fizikalnimi in kemijskimi znanostmi. To je pravzaprav zelo multidisciplinarna znanost, prav zato, ker so kemijska načela, ki jih preučuje, pomembna za vse biološke in kemične sisteme.