Materiālu fizikā, izmantojot dažādas eksperimentālas, teorētiskas un skaitliskas pētniecības metodes, tiek raksturotas dabā sastopamu un mākslīgi sintezētu materiālu īpašības. Īpašību apraksts parasti tiek veidots saistībā ar materiāla struktūru mikrolīmenī, nanolīmenī un/vai atomārā līmenī. Pētījumi materiālu fizikā veido fundamentālu zināšanu bāzi, ar kuras palīdzību tiek atklātas jaunas fizikālas parādības, uzlabotas esošu materiālu īpašības un radīti pilnīgi jauni materiāli.

Spēja radīt inovatīvus materiālus ir cieši saistīta ar fizikālu parādību izpratni fundamentālā līmenī. Pētījumi materiālu fizikā ir nodrošinājuši pusvadītāju, nanomateriālu, keramiku, polimēru, kompozītmateriālu, supravadītāju, ferroelektriķu un citu materiālu klašu strauju attīstību. Izstrādātie materiāli tiek izmantoti ikdienā lietojamās elektronikas (datori, telefoni) ierīcēs, Saules elementos, gaismu emitējošajās diodēs, optiskajās šķiedrās, sensoros, supravadošos magnētos un citviet. Materiālu fizikas rezultāti ir devuši arī lielu ieguldījumu fundamentālajā zinātnē, piemēram, supravadītspējas, kvantu Holla efekta un gigantiskās magnetopretestības teoriju izstrādē.

Materiālu fizika cieši saistīta ar citām fizikas apakšnozarēm – cietvielu fiziku, pusvadītāju fiziku un nanofiziku, kā arī ar ķīmijas un bioloģijas zinātņu apakšnozarēm. Materiālu fizikas saskaršanās ar citām zinātnes nozarēm ir divējāda – pirmkārt, atklājumi materiālu fizikā ļauj izveidot jaunus materiālus, ierīces vai tehnoloģijas, kas nepieciešamas visu zinātņu nozaru laboratorijās. Otrkārt, zinātnei progresējot, koncepcijas, kas sākotnēji tiek formulētas materiālu fizikā, tiek izmantotas arī citās nozarēs. Materiālu fizikā pētāmo problēmu klāsts daļēji pārklājas ar kondensētās vides fiziku un materiālzinātni.

Materiālu fizikas centrā ir atziņa, ka viela sastāv no atomiem, tādēļ būtiska loma materiālu pētniecībā ir vielas uzbūves un kvantu fizikas apakšnozaru teorijām. Atkarībā no pētāmā materiāla klases un īpašībām tiek izmantotas specializētas teorijas – piemēram, pusvadītāju materiālu elektriskās īpašības skaidro cietvielu zonu teorija, bet, lai raksturotu konstrukcijās izmantoto materiālu deformēšanos un lūšanu ārēju spēku laukā, lieto elastības un plastiskuma fizikas teorijas.

Materiālu īpašību raksturošanai un kontrolēšanai nepieciešama informācija par atomu izkārtojumu vielā. Materiālu struktūras vizualizēšanai tiek izmantotas elektronu mikroskopijas metodes – transmisijas elektronu mikroskopija (transmission electron microscopy, TEM) un skenējošā elektronu mikroskopija (scanning electron microscopy, SEM). Materiālu virsmu pētījumiem tiek izmantotas skenējošās zondes mikroskopijas (scanning probe microscopy, SPM) metodes, piemēram, atomspēku mikroskopija (atomic force microscopy, AFM) un skenējošā tuneļmikroskopija (scanning tunneling microscopy, STM). Lai raksturotu kristālrežģa īpašības – simetriju un starpplakņu attālumus –, tiek lietota rentgenstaru difrakcijas (X-ray diffraction, XRD) metode. Strukturāli pētījumi tiek veikti arī ar sinhrotronu un neitronu avotu radīto starojumu.

Materiāla īpašību raksturošanai tiek izmantotas dažādas pētniecības metodes, piemēram, mehānisko īpašību testēšana (mechanical testing), diferenciālā termiskā analīze (differential thermal analysis, DTA), elektriskās vadāmības (electrical conductivity) un fotovadāmības (photoconductivity) pētījumi, optiskā spektroskopija (optical spectroscopy) un magnētisko rezonanšu spektroskopija (magnetic resonance spectroscopy).

Mūsdienās eksperimentālo materiālu fizikas pētījumu rezultātu interpretācijai bieži izmanto skaitļošanas fiziku (computational physics), ar kuras palīdzību fizikas problēmas var modelēt skaitliski uz datora.

Cilvēkiem pieejamo materiālu klāstam vienmēr ir bijusi būtiska nozīme civilizāciju attīstībā – pat vēsturiski tiek izdalīti atsevišķi periodi (akmens laikmets, bronzas laikmets, dzelzs laikmets), kuru laikā dominēja kāda konkrēta materiāla darbarīku izmantošana. Fizikas, ķīmijas un inženierzinātņu analītiskās domāšanas izmantošana, lai izskaidrotu materiāliem piemītošās īpašības, aktualizējās apgaismības laikmetā. Vēsturiski materiālu fizikas pētījumi aizsākās ar materiālu mehāniku – pētījumiem, kas apraksta vielas uzvedību, ja tā tiek pakļauta ārējiem spēkiem. 1660. gadā britu zinātnieks Roberts Huks (Robert Hooke) atklāja elastības likumu, kas aprakstīja materiāla pagarināšanos, ja uz to iedarbojas ar spēku. Likumu vispārīgākā veidā formulēja un materiāla mehāniskās īpašības raksturojošo konstanti – Junga moduli – 1807. gadā ieviesa britu zinātnieks Tomass Jungs (Thomas Young). Turpmāko cietvielu fiziķu uzdevums bija raksturot īpašības saistībā ar materiāla struktūru, kamēr rūpniecības un inženierzinātņu pētnieki pievērsās galvenokārt materiālu funkcionalitātei un pielietojumiem. Izturīgu materiālu nepieciešamība konstrukciju veidošanā motivēja izstrādāt kompozītus – materiālus, kurus veido divi vai vairāki materiāli ar atšķirīgām īpašībām. Īpaši svarīgi bija dzelzsbetona pētījumi. Viens no šo pētījumu aizsācējiem bija franču dārznieks Žozejs Monjē (Joseph Monier). 1867. gadā viņš patentēja ideju par betona konstrukciju stiprināšanu ar dzelzs stieplēm. Ar šķiedrām mūsdienās stiprina arī polimēru kompozītus, uzlabojot to stiprību, elastību un karstumizturību, tajā pašā laikā samazinot nepieciešamā materiāla masu.

Par materiālu fizikas kā mūsdienu zinātnes nozares sākumu var uzskatīt 20. gs. sākumu, kad tika likti kvantu fizikas pamati. Revolucionārie atklājumi sekmēja eksperimentālu metožu attīstību, kas ir būtiski mūsdienu materiālu fizikas pētījumos. 1914. gadā Maksam von Lauem (Max Theodor Felix von Laue) tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par rentgenstaru difrakcijas novērošanu kristālos, bet 1915. gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta zinātniekiem Viljamam Henrijam Bregam (Sir William Henry Bragg) un Viljamam Lorensam Bregam (Sir William Lawrence Bragg) par rentgenkristalogrāfijas analīzes metodikas attīstību. Pirmo elektronu mikroskopu 1933. gadā konstruēja vācu fiziķis Ernsts Augusts Frīdrihs Ruska (Ernst August Friedrich Ruska), bet pirmā skenējošā tuneļmikroskopa izveidē 1981. gadā sadarbojās vācu fiziķis Gerds Binnigs (Gerd Binnig) un šveiciešu fiziķis Heinrihs Rorers (Heinrich Rohrer). Par šiem sasniegumiem abiem zinātniekiem 1986. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Praktiski un teorētiski liela nozīme ir bijusi pusvadītāju materiālu fizikas pētījumiem. Pusvadītāju materiālu elektrisko īpašību pētījumi aizsākās 19. gs. sākumā. 1947. gadā amerikāņu zinātnieki Džons Bardīns (John Bardeen), Volters Hauzers Bratains (Walter Houser Brattain) un Viljams Bredfords Šoklijs (William Bradford Shockley) pirmo reizi demonstrēja bipolāro tranzistoru (1956. gadā viņiem piešķirta Nobela prēmija fizikā). Kopš tā laika tranzistori ir kļuvuši par mūsdienu elektronikas pamatelementu. Tranzistoru straujo attīstību raksturo empīrisks Gordona Mūra (Gordon Moore) likums, kas paredz, ka tranzistoru skaits integrālās shēmās divkāršojas katrus divus gadus. Bieži (piemēram, pusvadītāju lāzeros un Saules šūnās) pusvadītājus ir izdevīgi uzklāt slāņos, tādējādi inženierējot materiāla elektronisko enerģiju aizliegtās zonas platumu. Par pētījumiem šajā jomā 2000. gadā Nobela prēmiju fizikā dalīja vācu zinātnieks Herberts Krēmers (Herbert Krömer) un krievu zinātnieks Žoress Alfjorovs (Жорeс Ивaнович Алфёров). 20. gs. 80. un 90. gados japāņu zinātnieku Isamu Akasaki (赤崎 勇), Hiroši Amano (天野 浩) un Šudži Nakamuras (中村 修二) veiktie gallija nitrīda pētījumi ļāvuši izstrādāt zilās gaismas pusvadītāju diodi, uz kuras pamata ir iespējama spožu un energoefektīvu baltās gaismas avotu izveide. Par šo sasniegumu Nobela prēmija fizikā piešķirta 2014. gadā.

Materiālu īpašību pētījumi ekstremālos apstākļos, piemēram, ļoti zemās temperatūrās, augstā spiedienā vai spēcīgos magnētiskos laukos, ir ļāvuši veikt vairākus negaidītus fizikas atklājumus. Viens no ievērojamākajiem ir supravadītspējas – strāvas vadīšanas bez pretestības – novērošana atsevišķos metālos, kad tie tiek atdzesēti līdz ļoti zemām temperatūrām. Supravadītspēju pirmo reizi 1911. gadā novēroja Heike Kamerlings Onness (Heike Kamerlingh Onnes), pētot elektrisko pretestību dzīvsudrabam cietā agregātstāvoklī, kas atdzesēts ar šķidro hēliju.

20. gs. otrajā pusē par aktuālu pētījumu virzienu kļuva nanomateriāli – nanodaļiņas, kvantu punkti, nanovadi, plānās kārtiņas, nanostrukturēti materiāli un tā tālāk. Ja materiāla ģeometriskie izmēri tiek samazināti līdz dažiem desmitiem nanometru, tiem var parādīties principiāli atšķirīgas īpašības. Daži no svarīgākajiem atklājumiem nanomateriālu jomā ir fullerēnu atklāšana 1985. gadā (Roberts Kērls (Robert Floyd Curl), Harolds Kroto (Sir Harold Walter Kroto), Ričards Smalijs (Richard Erret Smalley); Nobela prēmija ķīmijā 1996. gadā) un grafēna atklāšana 2004. gadā (Andrejs Geims (Андрей Константuнович Гейм), Konstantīns Novosjolovs (Константин Сергeевич Новосёлов), Nobela prēmija fizikā 2010. gadā). Materiālu fizikālo īpašību uzlabošanai tiek pētīti nanokompozīti – vairāku fāzu cietie materiāli, kuros kāda no fāzēm ir mazāka par 100 nanometriem. Spēja iegūt materiālus ar nepieciešamajām īpašībām, izmantojot strukturālas manipulācijas nanomērogā, var ļaut pārvarēt pašreizējās tehnoloģiskās problēmas un būt par pamatu jaunu kvantu fizikas efektu novērošanai, tādēļ nanomateriālu pētījumi ir viena no plašāk pārstāvētākajām materiālu fizikas apakšnozarēm.

Mūsdienās materiālu fiziķi turpina izstrādāt un pētīt jaunus elektroniskus, optiskus un magnētiskus materiālus un testē to pielietojamību elektronikā, transporta nozarē, enerģētikā, celtniecībā, komunikācijās, medicīnā un citās nozarēs. Daži aktuāli pielietojumi, kuriem nepieciešami materiāli ar uzlabotām īpašībām, ir efektīvāki materiāli Saules paneļiem, radiācijas izturīgi materiāli kodolsintēzes reaktoriem un istabas temperatūras supravadītāji elektroenerģijas pārvadīšanai bez zudumiem.

Materiālu fizikas pētījumos ir specializējušās zinātnieku grupas daudzās pētniecības iestādēs. Viens no nozīmīgākajiem Amerikas Savienotajās Valstīs ir Masačūsetas Tehnoloģiju institūts (Massachusetts Institute of Technology, MIT), kur Materiālu izpētes laboratorijā (Materials Research Laboratory, MRL) tiek meklēti jauni risinājumi enerģijas pārveidošanai un uzglabāšanai, kā arī pētīti kvantu materiāli, metāli, sarežģīti oksīdu savienojumi, biogēli un funkcionālās šķiedras. Kembridžas Universitātes (University of Cambridge) Fizikas nodaļā (Department of Physics) Lielbritānijā materiālu fizikas pētījumi notiek mikroelektronikā, nanofotonikā, optoelektronikā, kvantu sensoros, virsmu fizikā un mikrostruktūrā, kā arī plāno magnētisko kārtiņu nanostruktūrās. Šveices Federālajā Tehnoloģijas institūtā Cīrihē (Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich) materiālu fizikas pētījumus galvenokārt veic Fizikas departamenta Cietvielu fizikas laboratorijā (Laboratorium für Festkörperphysik) un Kvantu elektronikas institūtā (Institut für Quantenelektronik). To sastāvā ir vairākas pētniecības grupas, kas specializējas tādu materiālu izpētē kā, piemēram, kvantu pusvadītāji, eksotiski supravadītāji un ferroelektriķi. Krievijā pētījumus materiālzinātnēs un cietvielu fizikā veic Krievijas Zinātņu akadēmijas Cietvielu fizikas institūts (Институт физики твердого тела Российской академии наук). Āzijā jaunu funkcionālo materiālu izpētē starp nozīmīgākajiem ir pētniecības centri Cinhuas Universitātē (清华大学) Ķīnā un Tokijas Universitātē (東京大学) Japānā.

Žurnālā Materials Science and Engineering R: Reports (kopš 1993. gada; izdevējs Elsevier) tiek publicēti pārskata raksti par materiālzinātni un inženieriju. Žurnālā Progress in Materials Science (kopš 1949. gada; izdevējs Elsevier) publicē pārskata rakstus par jaunākajiem atklājumiem materiālzinātnē un to pielietojumu. Nature Materials (kopš 2002. gada; izdevējs Nature Publishing Group) skata materiālu sintēzes, apstrādes, struktūras, sastāva, īpašību un veiktspējas praktiskos un fundamentālos aspektus. Nature Nanotechnology (kopš 2006. gada; izdevējs Nature Publishing Group) skatīti visi nanozinātnes un nanotehnoloģiju aspekti. Advanced Materials (kopš 1988. gada; izdevējs Wiley-VCH) publicē rakstus par jaunākajiem sasniegumiem materiālu zinātnē. Žurnāla Advanced Functional Materials (kopš 2001. gada; izdevējs Wiley-VCH) tematika saistīta ar nanotehnoloģijām un materiālu fiziku, ķīmiju un bioloģiju. Žurnāls ACS Nano (kopš 2007. gada; izdevējs Amerikas Ķīmijas biedrība, American Chemical Society) publicē pētījumus nanozinātnēs un nanotehnoloģijās kā ķīmijas, bioloģijas, fizikas un inženierijas krustpunktā.

Materiālu fizikā nozīmīgi ir bijuši pētnieki, kas atklājuši materiālus ar jaunām īpašībām, izstrādājuši uzlabotas metodes to raksturošanai un attīstījuši teorētiskus modeļus materiālu struktūras un īpašību aprakstam.

Līdzās jau nosauktajiem minams Ķīnā dzimušais Honkongas, amerikāņu un britu fiziķis sers Čārlzs Kao (高錕), kura zinātniskā darbība ir devusi lielu ieguldījumu optisko šķiedru izstrādē un pielietošanā telekomunikācijās (Nobela prēmija fizikā 2009. gadā). Franču fiziķis Albērs Ferts (Albert Fert) un vācu fiziķis Pēters Grīnbergs (Peter Andreas Grünberg) nanoizmēru hroma un dzelzs slāņu struktūrās neatkarīgi viens no otra atklāja gigantisko magnetopretestību (Nobela prēmija fizikā 2007. gadā). Šis fenomens tiek izmantots magnētiskā lauka sensoros, kurus lieto datu nolasīšanai datoros esošajos cietajos diskos.