يبحث العديد من الفيزيائيين الكيميائيين بشكل شائع عن بنية وديناميكاالأيونات، و الجذور الحرة، والوليمرات، والتجمعات، والجزيئات. هذا الفرع من الدراسة يتضمن سلوك الميكانيكية الكموميةللتفاعلات الكيميائية، و عملية التذويب، وتدفق الطاقة البين-جزيئي والداخل-جزيئي، والكائنات الفردية مثل النقاط الكمومية. يستعمل الفيزيائيين الكيميائيين التجريبيين العديد من من التقنيات المطيافية لفهم أفضل للرابطة الهيدروجينية، وانتقال الإلكترون، و تشكل وانحلال الروابط الكيميائية، والتفاعلات الكيميائية، وتشكل الجسيمات النانوية. أما الفيزيائيين الكيميائيين النظريين فأنه يقومون بخلق محاكاة للعمليات الجزيئية التي يتم التقصي عنها في تلك التجارب للقيام بشرح النتائج وأيضاً توجيه البحوث المستقبلية. من أهداف دارسة الفيزياء الكيميائية فهم التفاعلات والبنى الكيميائية في المستوى الميكانيكي الكمومي، وتوضيح تفاعلية وبنية الجذور والأيونات الطوريةالغازية، واكتشاف التقريبات الدقيقة لجعل فيزياء الظواهر الكيميمائية مقبولة حسابياً. يبحث الفيزيائيين الكيميائيين عن أجوبة لبعض الأسئلة مثل:
هل يمكننا اختبار التنبؤات الميكانيكية الكمومية تجريبياً للاهتزازات والتناوبات الخاصة باللجزيئات البسيطة؟
هل يمكننا تطوير طرق أكثر دقة لحساب خصائص وبنية الإلكترون للجزيئات؟
هل يمكننا فهم التفاعلات الكيميائية من المبادئ الأولى؟