Secara harfiah jutaan senyawa kimia ada. Cara senyawa ini dan konstituennya bereaksi dan berinteraksi satu sama lain diatur oleh prinsip fisika tertentu yang menjelaskan perilakunya. Oleh karena itu, kimia fisik adalah fondasi yang menjadi dasar semua bidang kimia lainnya, dan ilmu ini juga relevan dengan hampir semua bidang ilmiah lainnya. Kimia fisik mencakup empat bidang studi, termasuk termodinamika, kimia kuantum, kinetika kimia, dan termodinamika statistik.
Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari perubahan energi menjadi panas dan kerja. Dalam konteks ini, usaha didefinisikan sebagai energi yang dipindahkan oleh suatu gaya; misalnya, menendang bola adalah suatu bentuk pekerjaan di mana orang yang menendang bola mentransfer gaya dari kaki mereka ke bola, menyebabkan bola bergerak. Termodinamika juga mempelajari cara-cara di mana proses konversi dapat diubah dengan mengubah variabel seperti tekanan dan suhu dalam suatu sistem.
Kimia kuantum adalah ilmu teoritis yang menjelaskan bagaimana molekul terikat satu sama lain dengan menerapkan prinsip-prinsip teori medan kuantum dan mekanika kuantum. Prinsip-prinsip ini menjelaskan bagaimana atom dan partikel subatomik berperilaku dalam berbagai sistem, dan pada gilirannya mengatur bagaimana molekul berperilaku. Secara teoritis semua sistem kimia dapat dijelaskan menggunakan kimia kuantum, tetapi dalam praktiknya hanya sistem yang sangat sederhana yang dapat diselidiki secara akurat.
Kinetika kimia mempelajari laju proses kimia. Laju proses kimia tertentu hanyalah kecepatan di mana reaksi kimia terjadi. Misalnya, kontras laju oksidasi besi, yang merupakan proses yang sangat lambat, dengan laju pembakaran bahan bakar, yang merupakan proses sepersekian detik. Kinetika kimia juga mempelajari bagaimana perubahan variabel seperti tekanan dan suhu mengubah laju reaksi terjadi.
Ketiga aspek kimia fisik ini dihubungkan oleh yang keempat, yang disebut termodinamika statistik. Bidang ini berkaitan dengan distribusi energi dalam sistem kimia, dan juga menghubungkan dunia mikroskopis dan makroskopik. Tujuan utama dari termodinamika statistik adalah untuk menafsirkan sifat makroskopik dari berbagai jenis materi dalam kaitannya dengan interaksi antara molekul mikroskopis penyusunnya dan partikel.
Melalui kajian keempat konsep tersebut, kimia fisika modern berupaya memahami permasalahan kimia yang kompleks dalam konteks ilmu biologi, lingkungan, dan material. Meskipun ini adalah bidang yang sangat berbeda, prinsip-prinsip kimia fisik relevan untuk semua, termasuk ilmu biologi serta fisika dan kimia. Ini sebenarnya adalah ilmu yang sangat multidisiplin, justru karena prinsip-prinsip kimia yang dipelajarinya relevan dengan semua sistem biologi dan kimia.