Η θεωρητική φυσική είναι ένας κλάδος της φυσικής που χρησιμοποιεί μαθηματικά μοντέλα και αφαιρέσεις φυσικών αντικειμένων και συστημάτων για τον εξορθολογισμό, την εξήγηση και την πρόβλεψη φυσικών φαινομένων. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την πειραματική φυσική, η οποία χρησιμοποιεί πειραματικά εργαλεία για τον εντοπισμό αυτών των φαινομένων.
Η πρόοδος της επιστήμης εξαρτάται γενικά από την αλληλεπίδραση μεταξύ πειραματικών μελετών και θεωρίας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η θεωρητική φυσική συμμορφώνεται με τα πρότυπα της μαθηματικής αυστηρότητας, δίνοντας παράλληλα μικρό βάρος στα πειράματα και τις παρατηρήσεις. Για παράδειγμα, ενώ ανέπτυξε ειδική σχετικότητα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ασχολήθηκε με τον μετασχηματισμό Lorentz, ο οποίος άφησε τις εξισώσεις του Maxwell, αλλά προφανώς δεν ενδιαφερόταν για το πείραμα Michelson-Morley για τη μετακίνηση της Γης μέσω ενός φωτεινού αιθέρα. Βραβείο Νόμπελ για την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος, στο παρελθόν πειραματικό αποτέλεσμα που δεν είχε θεωρητική διατύπωση.