يمكن استخدام أبحاث الفيزياء النظرية في الكيمياء الفيزيائية بالعديد من الطرق. على سبيل المثال، يستخدم العديد من الكيميائيين الفيزيائيين نماذج نظرية لتفسير الخصائص الكيميائية للمركبات ولدراسة التفاعلات الكيميائية.
كما يمكن استخدام نظرية المفاعل الكيميائي لتحسين فهم مسارات التفاعلات الكيميائية، وتنبأ بخصائص المركبات الجديدة والمواد الكيميائية.
أيضًا يمكن استخدام النماذج الحاسوبية المتقدمة لدراسة تأثير مختلف العوامل في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمركبات، مثل درجة الحرارة والضغط وتركيز المركبات.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام النماذج الحاسوبية لتصميم المواد الجديدة التي تحتوي على الخصائص المحددة المطلوبة، وذلك بتحديد العناصر والتراكيب التي يجب إضافتها أو تغيرها في الجزيئات المعنية.