Kirjaimellisesti miljoonia kemiallisia yhdisteitä on olemassa. Tapa, jolla nämä yhdisteet ja niiden ainesosat reagoivat ja ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, määräytyvät tiettyjen fyysisten periaatteiden mukaan, jotka selittävät niiden käyttäytymisen. Fysikaalinen kemia on siis perusta, jolle kaikki muut kemian alat perustuvat, ja tämä tiede koskee myös käytännössä kaikkia muita tieteenaloja. Fysikaaliseen kemiaan kuuluu neljä aihealuetta, mukaan lukien termodynamiikka, kvanttikemia, kemiallinen kinetiikka ja tilastollinen termodynamiikka.
Termodynamiikka on tutkimus energian muuntamisesta lämmöksi ja työksi. Tässä yhteydessä työ määritellään voiman siirtämäksi energiaksi; esimerkiksi pallon potkiminen on eräänlainen työn muoto, jossa palloa potkiva henkilö siirtää voiman jalaltaan palloon ja saa pallon liikkumaan. Termodynamiikka tutkii myös tapoja, joilla muuntamisprosessia voidaan muuttaa muuttamalla muuttujia, kuten järjestelmän paine ja lämpötila.
Kvanttikemia on teoreettinen tiede, joka kuvaa kuinka molekyylit sitoutuvat toisiinsa soveltamalla kvanttikenttäteorian ja kvanttimekaniikan periaatteita. Nämä periaatteet kuvaavat, miten atomit ja subatomiset hiukkaset käyttäytyvät eri järjestelmissä, ja puolestaan säätelevät molekyylien käyttäytymistä. Teoriassa kaikkia kemiallisia järjestelmiä voidaan kuvata kvanttikemian avulla, mutta käytännössä vain hyvin yksinkertaisia järjestelmiä voidaan tutkia tarkasti.
Kemiallinen kinetiikka tutkii kemiallisten prosessien nopeuksia. Tietyn kemiallisen prosessin nopeus on yksinkertaisesti nopeus, jolla kemiallinen reaktio tapahtuu. Esimerkiksi raudan hapettumisnopeutta, joka on hyvin hidas prosessi, verrataan polttoaineen palamisnopeuteen, joka on sekunnin murto-osa. Kemiallinen kinetiikka tutkii myös, kuinka muuttuvat muuttujat, kuten paine ja lämpötila, muuttavat reaktioiden nopeutta.
Näitä kolmea fysikaalisen kemian osa -aluetta yhdistää neljäs, tilastollinen termodynamiikka. Tämä kenttä koskee energian jakautumista kemiallisissa järjestelmissä ja yhdistää myös mikroskooppisen ja makroskooppisen maailman. Tilastollisen termodynamiikan päätavoite on tulkita erityyppisten aineiden makroskooppisia ominaisuuksia suhteessa niiden ainesosien mikroskooppisten molekyylien ja hiukkasten väliseen vuorovaikutukseen.
Näiden neljän käsitteen tutkimisen kautta nykyaikainen fysikaalinen kemia pyrkii ymmärtämään monimutkaisia kemiallisia ongelmia biologisten, ympäristö- ja materiaalitieteiden yhteydessä. Vaikka nämä ovat laajasti toisistaan poikkeavia aloja, fysikaalisen kemian periaatteet ovat tärkeitä kaikille, myös biologisille sekä fysikaalisille ja kemiallisille tieteille. Tämä on itse asiassa erittäin monitieteinen tiede juuri siksi, että sen tutkimat kemialliset periaatteet liittyvät kaikkiin biologisiin ja kemiallisiin järjestelmiin.