الكيمياء الفيزيائية هي فرع من الكيمياء يهتم بدراسة الظواهر والعمليات الكيميائية من خلال الأسس والمفاهيم الفيزيائية. ترتكز هذه الفرع على استخدام النماذج الرياضية والأساليب الفيزيائية لفهم وتفسير الظواهر الكيميائية.
تتضمن الكيمياء الفيزيائية دراسة الديناميكا الكيميائية (تفاعل الجزيئات والتفاعلات الكيميائية) والتوازن الكيميائي (توزيع المركبات بين مراحل الحالة المختلفة) والحرارة والطاقة (تغيرات الطاقة خلال التفاعلات الكيميائية) والكهروكيمياء (التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على تدفق الكهرباء) والتخليق والتشكيل الجزيئي (بناء وتشكيل المركبات الكيميائية).
تعتمد الكيمياء الفيزيائية على استخدام العديد من الأدوات والتقنيات المختلفة مثل المطيافية والطيفية والكروماتوغرافية والتحليل الحراري والتحليل الكهروكيميائي والتحليل الكثافي والحسابات الرياضية والنمذجة الكمية.
يساهم العمل في مجال الكيمياء الفيزيائية في تطوير المواد الجديدة والتحسينات التكنولوجية وفهم الظواهر الطبيعية مثل الكيمياء البيولوجية والكيمياء البيئية.