Методите за изучаване на физичните явления най-общо може да се разделят на две големи групи – експериментални и теоретични. Тези две групи са неразривно свързани и взаимно се допълват. Експерименталната физика дава необходимите опитни данни и наблюдения. Въз основа на тях теоретичната физика извлича общите закони на природата, а също така предсказва и нови явления. Без теоретичната физика експерименталните данни биха били само куп несвързани помежду си факти.
Теоретичната физика работи с теоретични модели. Тяхното използване се налага от многообразието и сложността на заобикалящия ни свят и явленията в него. Теоретичните модели имат за задача да опростят сложните физически обекти, като оставят само най-важните и характерни техни свойства. Така например, когато се разглежда движението на Земята около Слънцето, размерите на Земята не са от значение – тя може да се смята за материална точка. Аналогично може да се пренебрегне размерът на молекулите в модела на идеалния газ и т. н.
Теоретичната физика не само
обяснява и предсказва физични
явления. Тя формира до голяма
степен научното съзнание,
философските възгледи, стила,
методите на научна дейност и
оказва силно влияние във всички
сфери на човешката дейност.
Основни физични теории,
оказали трайно въздействие не
само върху физиката, а и
върху цялостния научен
мироглед и философски
възгледи, са класическата
физика, специалната и общата
теория на относителността,
електродинамиката,
квантовата теория на полето
и др.
Най-често теоретичните модели имат за задача да направят възможно използването на математическия апарат. Основният инструмент, с който работи теоретичната физика, е математиката. Поради изключителната роля, която тази наука играе в решаването на физичните задачи, най-често използваният във физиката математически апарат се е обособил в отделен раздел, наречен математическа физика. Този раздел вече е толкова голям, че границите му трудно може да се очертаят. След като физичната задача бъде превърната в математическа, тя се решава, а след това резултатът се тълкува отново на езика на физиката.
Получените по описания начин резултати се дават във вид на формули и се наричат количествени. Често физичните закономерности не може да се изразят с формули, а се изказват като определени правила. Такива зависимости се наричат качествени. Като правило качествените резултати отговарят на по-ниска степен на познание, но значението им в никакъв случай не бива да се пренебрегва. Много важни физични закони, като например първият закон на Нютон и първите два принципа на термодинамиката, продължително време не са имали количествен израз, но са водели до важни и напълно определени физични резултати.