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  物理有機化學家使用理論和實驗方法來理解有機化學中的這些基本問題,包括古典和統計熱力學計算,量子力學理論和計算化學,以及實驗光譜法(例如NMR),光譜計量法(例如MS), 和晶體學方法。 因此,該領域可應用於許多更專業的領域,包括電化學和光化學,聚合物和超分子化學,生物有機化學,酶學和化學生物學,以及商業上涉及製程化學,化學工程,材料科學,奈米技術,以及藥理學在藥物發現方面的設計。

  物理有機化學是對有機分子的結構與反應性之間關係的研究。 更具體地說,物理有機化學將物理化學的實驗工具應用於有機分子結構的研究,並提供了理論框架來解釋結構如何影響有機反應的機制和速率。 可以將其視為將有機化學與物理化學聯絡起來的子領域。

  

  有機化學家使用熱力學工具來研究化學系統的鍵結,穩定性和能量學。 這包括測量或確定反應,轉化或異構化的焓(ΔH),熵(ΔS)和吉布斯自由能(ΔG)的實驗。 化學家可以使用各種化學和數學分析(例如Van't Hoff圖)來計算這些值。  經驗常數,例如鍵解離能,標準生成熱(ΔH°)和燃燒熱(ΔH值來評估。

  構形分析是評估化學穩定性和能量學的主要方法之一。 物理有機化學家使用構形分析來評估分子中存在的各種型別的應變,以預測反應產物。在無環和環狀分子中均可發現應變,其在多種系統中表現為扭轉應變,烯丙基應變,環應變和正戊烷應變。A值為預測被取代的環己烷的構形提供了定量基礎,被取代的環己烷是一類重要的環狀有機化合物,其反應性受構形作用的強烈引導。 A值是被取代的環己烷的軸向和赤道形式之間的吉布斯自由能之差;藉著將各種取代基的A值加在一起,可以定量地預測環己烷衍生物的偏好構形。  除分子穩定性外,構形分析還用於預測反應產物。 通常使用的構形分析方法的一個例子是雙分子消除反應(E2)。 當親核試劑攻擊離去基團反平面的物種時,該反應最容易進行。 對這種現象進行的分子軌道分析顯示,這種構形在經歷親核攻擊的R-H σ鍵軌道中的電子與被斷開的R-X鍵的空σ反鍵結軌道之間提供了最佳重疊。利用這種作用,構形分析可用於設計反應性增強的分子。  產生鍵旋轉障礙的物理過程是複雜的,並且已經經由實驗和理論方法對這些障礙進行了廣泛的研究。最近的許多文章研究了在乙烷,丁烷和更多取代的分子中,手性,靜電力和高共軛作用對旋轉障礙的貢獻。

  化學家利用分子內和分子間非共價鍵/互動作用的研究來評估反應性。這樣的互動作用包括但不限於氫鍵,帶電分子之間的靜電互動作用,偶極-偶極互動作用,極性-π和陽離子-π互動作用,π-堆積,供體-受體化學和鹵素鍵。此外,疏水作用(水中有機化合物的關聯)是化學家感興趣的靜電、非共價互動作用。疏水作用的精確物理起源來自許多複雜的互動作用,但據信它是水中生物分子識別的最重要組成部分。例如,Xu and Melcher 等闡明瞭葉酸受體蛋白識別葉酸的結構基礎。葉酸和葉酸受體之間的強互動作用歸因於氫鍵和疏水互動作用。對非共價互動作用的研究還用於研究超分子組裝體和大環化合物(例如冠醚和穴狀配體)中的鍵結和協同作用,這些化合物可以充當客體分子的宿主。

  酸和鹼的性質與物理有機化學有關。 在有機反應中,有機化學家主要關注的是Brønsted–Lowry酸/鹼作為質子供體/受體,以及Lewis酸/鹼作為電子受體/供體。 化學家使用從物理化學發展而來的一系列因素(電負度/誘導,鍵強度,共振,混成,芳香性和溶液化)來預測相對酸鹼度。  硬/軟-酸/鹼原理(HSAB)用於預測分子相互作用和反應方向。 通常偏好相同型別分子之間的相互作用。 即,硬酸將與硬鹼結合,而軟酸將與軟鹼結合。 硬酸和硬鹼的概念通常用於合成無機配位化合物。
物理有機化學是路易斯·哈米特(Louis Hammett)於1940年創造的一個術語,是指關注化學結構與反應性之間關係的有機化學學科,尤其是將物理化學的實驗工具應用於有機分子的研究。研究的重點包括有機反應的速率,原料的相對化學穩定性,反應性中間體,過渡態和化學反應產物,以及非共價方面的溶劑化和影響化學反應性的分子相互作用。 這些研究提供了理論和實際架構,以瞭解溶液或固態環境中結構的變化如何影響目標有機反應的反應機構和反應速率。