物理学是最古老的学术之一。物理学、化学、生物学等等原本都归属于自然哲学的范畴，直到十七世纪至十九世纪期间，才渐渐地从自然哲学中分别成长为独立的学术领域。物理学与其它很多跨领域研究有相当的交集，如量子化学、生物物理学等等。物理学的疆界并不是固定不变的，物理学里的创始突破时常可以用来解释这些跨领域研究的基础机制，有时还会开启崭新的跨领域研究。
通过创建新理论与发展新科技，物理学对于人类文明有极为显著的贡献。例如，由于电磁学的快速发展，电灯、电动机、家用电器等新产品纷纷涌现，人类社会的生活水平也得到大幅提升。由于核子物理学日趋成熟，核能发电已不再是蓝图构想，但其所引致的安全问题也使人们意识到地球环境、生态与人类的娇弱渺小。
物理学史 “物理”一词在英文里是“physics”，最先出自于古希腊文“φύσις”，原意是“自然”。在中文里，这词最早可在战国时期佚书《鹖冠子·王篇》找到，“愿闻其人情物理所以啬万物与天地总与神明体正之道。”在这里，“物理”指的是一切事物之道理。三国时期，杨泉著有《物理论》，是最早的书名含有“物理”一词的著作。明末清初科学家方以智受到西学影响，撰写了百科全书式著作《物理小识》，在这里，“物理”的含义已演化为学术之理，包括自然科学的各门领域与人文学的部分领域。
清朝鸦片战争后，西方科学传入中国，此时的译者将“physics”翻译为“格致学”或“格物学”。“格物致知”这词源自于《礼记大学》：“致知在格物，格物而后致知”，用白话说，“若要增进知识，必须穷究事物之理，唯有穷究事物之理，才可增进知识”。这句话指出，明了事物是增进知识的关键方法。在物理学里，时常会利用观察、模拟、实验、推论、演绎等方法来获得知识。因此，将“physics”翻译为“格致学”或“格物学”似乎有道理。
中国战国哲学家名家惠施、邓析和公孙龙，以及墨家，曾努力钻研宇宙间万物构成的原因。惠施有十个命题，主要是对自然界的分析，其中有些含有辩证的元素。他说：“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一。”。“大一”是指整个空间大到无所不包，不再有外部；“小一”是指物质最小的单位，小到不可再分割，不再有内部。名家的思想合同异以惠施为代表，认为“天与地卑，山与泽平”，万物“毕异”本为“毕同”，并无区别。后期墨家认为物质世界是由微小的不可再分割的物质粒子所构成。
1824年，在伦敦发行的《机械杂志》内的一副刻画。阿基米德说：“给我一个支点，我就可以撬起整个地球。”从古代以来，人们就尝试着了解大自然的奥妙：为什么物体会往地面掉落，为什么不同的物质会具有不同的性质？如此等等。从观测与分析大自然的现象，早期人们找到其中的样式，并针对这些样式提出了各种理论，试图解释大自然的奥妙，然而他们所提出的大多数理论都不正确。以现代判据来看，早期的物理理论更像是一些哲学理论：现代的理论都需要经过严格的实验检验，而那些早期的理论并没有经过严格证实。像托勒密和亚里士多德提出的理论中，有些就与日常所能观察到的事实相悖。
尽管如此，仍有许多古学者贡献出相当正确的理论。古希腊哲学家泰勒斯（前624年－前546年）曾经远渡地中海，在美索不达米亚埃及学习天文学与几何，还加以推广延伸，发扬光大。他预测出公元前585年发生的日蚀，还能够估算船只离岸边的距离，又从金字塔的阴影计算出其高度。泰勒斯拒绝倚赖玄异或超自然因素来解释自然现象，他主张，任何事件的发生都有其不变与普适的因果关系。公元前5世纪古希腊哲学家留基伯与学生德谟克利特率先提出原子论，认为所有物质皆是由不会毁坏、不可分割的原子所构成。古希腊的思想家阿基米德在作用力方面推导出许多正确的定量结论，如对于杠杆原理的解释。
从公元850年至950年间，大量希腊学术被翻译成阿拉伯文。穆斯林科学家从希腊人继承了亚里士多德物理学。在伊斯兰黄金时代，他们将这些学术发扬光大，特别强调观测的动作，发展出一种早期形式的科学方法。
伊本·沙尔（英语：Ibn Sahl）、肯迪、海什木、伊本·西那等等科学家在光学与视觉领域给出创新理论。海什木在著名著作《光学书（英语：Book of Optics）》（Kitab al-Manazir）里，坚定地驳斥了古希腊的视觉理论——发射说，并且给出新理论。倚赖盖伦关于眼睛内部解剖结构的信息，他说明了光线如何进入眼睛，如何被聚焦与投射至眼睛的后部，他认为眼睛就如同“暗室”，光线进入一个小洞后，在暗室形成颠倒影像。很明显地，在这里，他所指的是针孔相机或暗箱。他还描述怎样用暗室来观测日蚀。
海什木的成就在阿拉伯世界并没有得到应有的重视。十二世纪，他的著作被翻译成拉丁文，书名为《透视》（Perspectiva）。直至十七世纪，这著作在欧洲是光学的标准参考书，强烈影响了后来约翰内斯·开普勒、威特罗、罗杰·培根等等科学家的研究。
艾萨克·牛顿（1643年－1727年） 经典物理学指的是不涉及到量子力学或相对论的物理学，例如，牛顿力学、热力学、麦克斯韦电磁学等等。经典物理学的盛期开始于十六世纪的第一次科学革命，终止于十九世纪末。尼古拉·哥白尼打响了科学革命的第一枪，他于1543年提出了描述太阳系统的日心说，这理论推翻了托勒密的地心说。在1609年与1619年期间，约翰内斯·开普勒发表了主导行星运动的定律，他用数学方程准确估算出从天文观测获得的行星绕着太阳的公转数据，从而给予日心说强而有力的理论支持。伽利略·伽利莱做实验研究物体运动，发现落体定律，并且展示出实验方法对于科学研究的重要性。他倚赖使用实验或观测所获得的证据，而不是倚靠纯粹推理，来证实任何假说的正确性。他强调使用数学来描述物理现象，大自然的语言是数学，假若不懂数学，则无法明白大自然。1687年，艾萨克·牛顿提出的牛顿运动定律和万有引力定律为经典物理学奠定了稳固的基础，他和戈特弗里德·莱布尼茨创建了微积分，给出一种新的高功能数学方法来研析物理问题。他为第一次科学革命画上了完美的终止符。[21][19]:84, 98物理学展现出两个独门特征：使用实验证据来检视物理定律、采用数学语言来表述物理定律。物理学逐渐发展进步，成为一门独立学科。
二十世纪初期，物理学者发现经典物理学存在着极严重的瑕疵：迈克耳孙-莫雷实验的零结果不符合经典物理学的预测，黑体辐射谱不符合热力学的预测，经典电磁学无法解释光电效应与原子光谱，放射性物质的物理性质貌似与经典物理学的决定论背道而驰。这些瑕疵给学术界带来了一场前所未有的考验，彻底地动摇了旧理论体系的基石，导致了二十世纪物理学两大理论体系相对论和量子力学的出现，进而开始了现代物理学的纪元。相对论和量子力学对于这些难题给出合理解答。不仅如此，物理学者应用相对论和量子力学于像原子、分子等等的微观系统，以及各种凝聚态宏观系统，从而更为深切地揭示大自然的工作机制，并且促进物质文明蓬勃发展。
虽然物理学的研究范围十分广泛，物理学者时常会使用到某些物理学的核心理论。这些理论皆已通过很多不同实验的多次检验，并且对于自然现象的预测被认为足够准确，例如，经典力学的理论能够准确地描述物体的运动，但必须满足两个前提，一是物体尺寸超大于原子、二是物体运动速度超小于光速。[23]:2当今，这些核心理论仍旧是很热门的研究领域。例如，二十世纪后半期，即在牛顿（1642年–1727年）表述经典力学整整三个世纪之后，学者发现与创建了混沌理论，其揭示了力学系统的决定论可预测性是一个错误的观念。[24] 这些核心理论大致包括于经典力学、量子力学、热力学、统计力学、电磁学、狭义相对论等等基础物理学领域，是进阶研究专门论题的重要工具。
经典物理学包括那些在二十世纪初已成熟的传统学术分支领域：经典力学、声学、光学、热力学、电磁学等等。
经典力学研究受力物体的运动状况。牛顿定律是经典力学的基础定律。经典力学分为静力学、运动学和动力学。静力学论述处于静力平衡的物体所感受到力与力矩。运动学描述物体的运动，完全不考虑力或质量等等影响运动的因素。动力学研究改变物体运动的因素与物体运动如何因此改变。按照表述方式的不同，经典力学又可分为矢量力学与分析力学。矢量力学着重于论述位移、速度、加速度、力等等矢量间的关系，而分析力学则从受力物体运动时的拉格朗日量或哈密顿量来分析物体的运动行为。
声学是研究声音的制造、控制、传播、接收与效应的学术领域。超声波学，生物声学（英语：bioacoustics）与电声学（英语：electroacoustics）是声学所包含的一些重要现代分支领域。超声波学研究超过人类听觉能力的高频率声波，在医学诊断与医学治疗方面有很多重要用途。生物声学研究涉及动物的声波。电声波学研究电声设备的操控。光学专注于光的性质与行为的物理学分支领域。光在几何光学里被视为光线，能够以直线移动，直到遇到不同介质时，才会改变方向。反射、折射等现象都可以用几何光学的理论来解释。光在物理光学里被视为光波，能够用来描述衍射、干涉、偏振等等现象。
热力学主要研究热量与机械功彼此之间的转换。在热力学里，通常透过描述物理系统平均性质的宏观变量，像温度、内能、熵、压强等等来解释自然现象。热力学研究这些宏观变量彼此之间的关系（如麦克斯韦关系式）、以及它们的改变对于物理系统的影响。学习热力学的起跑点是热力学定律。热力学不研究物质的微观性质，这属于统计力学领域。从统计力学的理论可以推导出热力学定律。统计力学应用概率论来研究由大量粒子组成的系统的物理行为。统计力学将单独原子或分子的微观性质桥接至大块物质的宏观性质，对于这些宏观性质给出微观层级的诠释。在大尺度的实验中可以测量到这些宏观性质。
电磁学描述带电粒子与电场、磁场的相互作用。电磁学的分支有静电学、静磁学、电动力学等等。静电学研究静止带电粒子彼此之间的相互作用。静磁学研究所有涉及常定磁场的现象。电动力学研究所有涉及加速度带电粒子、电磁辐射、时变电场与时变磁场的现象。经典电磁学的基础理论是麦克斯韦方程与洛伦兹力方程。光波是电磁波的一种，可由带电粒子的加速度运动产生。
经典物理学通常用以阐述日常可观察尺寸的系统现象，而现代物理学通常用以阐述极端或非常大尺寸、非常小尺寸的系统现象。例如，化学元素可以被辨识的最小尺寸是原子物理学或核子物理学探索物质所操作的尺寸。而粒子物理学操作的尺寸则更为微小，它论述的是基本粒子或由基本粒子组成的粒子。由于使用大型粒子加速器来产生基本粒子需要非常巨大的能量，所以通常粒子物理学又称为高能量物理学。对于粒子物理学所研究的物理系统，那些关于空间、时间、物质、能量的普通常识不再适用，必须加以修改。
现代物理学的两种核心理论给出关于空间、时间、物质、能量的崭新绘景。量子力学论述发生于原子层级与亚原子层级各种现象的离散性质，以及在关于这些现象的描述里的粒子与波动的互补性质。相对论阐述，处于某参考系的观察者，所观察到在另外一个以相对速度移动的参考系发生的现象。相对论又可分为狭义相对论与广义相对论。狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及重力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有重力作用或者重力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是研讨那些涉及重力的论题。
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