Teoreettinen fysiikka on fysiikan haara, joka on omistettu keksimään matemaattisia selityksiä luonnollisille tapahtumille. Monet fysiikan oppiaineet kuuluvat teoreettisen fysiikan piiriin, koska niihin kuuluu sellaisten kaavojen suunnittelu, joita ei ehkä voida empiirisesti testata. Tämän alan tutkijat pohtivat joitain hyvin monimutkaisia ongelmia ja kysymyksiä, kuten kuinka maailmankaikkeus kehittyi.
Fysiikka on kiehtova tieteenhaara, koska siihen liittyy usein sellaisten teorioiden kehittämistä, joita ei voida testata kokeellisella mallilla, mikä rikkoo yhtä empiirisen tieteen perusohjeista. Tieteelliset tutkijat haluavat yleensä kehittää teorian, suunnitella kokeilun, joka testaa tätä teoriaa, suorittaa kokeen ja julkaista tuloksia. Teoreettisessa fysiikassa tutkijat kehittävät teorioita, mutta he eivät pysty testaamaan niitä. Tämä erottaa teoreettisen fysiikan kokeellisesta fysiikasta, jossa tutkijat suunnittelevat ja suorittavat kokeita teorioidensa tutkimiseksi.
Koska teoreettista fysiikkaa ei voida tukea kokeiden avulla, tutkijat luottavat muihin työkaluihin määrittääkseen, ovatko heidän teoriansa paikkansapitäviä. Teorian pitäisi pystyä esimerkiksi ennustamaan tai selittämään tarkasti esimerkiksi fyysisiä ilmiöitä, ja sen pitäisi tukea tunnettuja havaintoja. Ihannetapauksessa teorian pitäisi myös olla puhdas ja siisti, ja osa teoreettisesta fysiikasta kannattaa Occamin partakoneen ajatusta ja uskoo, että yksinkertaisin selitys on paras. Teorioiden pitäisi myös kestää voimakasta keskustelua ja keskustelua, jolloin teoreettiset fyysikot vaihtavat jatkuvasti ajatuksia ja kritiikkiä parantaakseen tieteenalojaan.
Jotkut tämän alan teoriat on hyväksytty laajalti, ja niitä opetetaan rutiininomaisesti luokkahuoneissa, käytetään fysiikan tutkimuksessa ja käytetään teollisuudessa kaikkialla maailmassa. Näiden teorioiden jatkuva tutkimus jatkuu, kun tutkijat haluavat tutkia täysin teoreettisen fysiikan kaikki näkökohdat. Muita teorioita on ehdotettu ja ne näyttävät uskottavilta, mutta niitä ei ole täysin tuettu tai ne tarvitsevat lisää tutkimusta, ja uusimpia teorioita pidetään “reunateorioina”, jotka vaativat paljon enemmän tutkimista, keskustelua ja havainnointia.
Sir Isaac Newtonia pidetään laajalti teoreettisen fysiikan edelläkävijänä, samoin kuin Albert Einsteinia. Molemmat fyysikot erosivat loogisista harppauksista, jotka joskus uhmasivat tunnettuja tietoja tai havaintoja ja vaativat erittäin teoreettista näkemystä maailmasta. Newtonin työ sisälsi jopa laskentalaskennan matemaattisen kielen huomattavan laajentamisen, jotta hän voisi ilmaista teoriansa. Teoreettiset fyysikot osallistuvat myös tunnetusti ajatuskokeisiin, joissa he tutkivat ajatuksiaan mielessään ilman laboratoriota.