Ķīmiskās fizikas metožu izmantošana ķīmisku procesu aprakstam ļāva labāk saprast un strukturēt eksperimentāli iegūtos datus ķīmijā un skaidrot novērotās ķīmisko procesu likumsakarības, kā arī veicināja teorētisko un eksperimentālo fizikas metožu attīstību ķīmisku procesu pētīšanai. Mūsdienās ķīmiskā fizika tiek izmantota arī bioloģisku procesu aprakstam.

Atomu un molekulu struktūras pētniecībā ķīmiskā fizika balstās uz mehāniku, elektromagnētisko teoriju, kvantu mehāniku. Lai aprakstītu sistēmas ar lielu daļiņu skaitu, piemēram, gāzes, šķidrumus, cietvielas, skaidrojot to ķīmiskās un fizikālās īpašības no pirmajiem principiem, balstoties (ab initio) uz fizikālo teoriju pamatpieņēmumiem, ķīmiskajā fizikā izmanto termodinamiku un statistisko fiziku.

Ķīmiskās fizikas metodes ļauj eksperimentāli pētīt, teorētiski skaidrot un skaitliski aprēķināt ķīmisko reakciju ātrumu un ķīmisko reakciju mehānismus gāzes fāzē, šķidrumos un uz cietvielu virsmas. Šīs reakcijas un izpratne par tām ir nozīmīgas gan praktiskos pielietojumos, piemēram, ķīmijas industrijā, gan no fundamentālās zinātnes viedokļa. Piemēram, kontrole pār katalīzes reakcijas ierobežojošiem procesiem un katalīzes procesa izprašana ķīmiskā sintēzē ļauj meklēt veidus ķīmisko reakciju ātruma palielināšanai ķīmiskās industrijas vajadzībām.

Nav nosakāma stingra robeža starp ķīmisko fiziku un ķīmiskajai fizikai radniecīgo fizikālo ķīmiju. Ķīmiskā fizika balstās gan uz eksperimentālo, gan uz teorētisko pētniecību. Ķīmiskās fizikas pētniecības objekti ir atomi, molekulas, atomu klasteri, gāzes, šķidrumi, stikli, cietvielu virsmas, robežvirsmas, polimēri, mīksta viela, bioloģiskas molekulas. Pētniecībā tiek attīstītas un pielietotas šo objektu teorētiskās un eksperimentālās pētniecības metodes un algoritmi.

Pirmās ķīmiskajā fizikā izmantotās teorijas bija molekulāro orbitāļu teorija un valentās saites teorijas. Tās ļāva skaidrot ķīmisko saišu veidošanās īpatnības. Attīstoties kvantu mehānikai, plašāku nozīmi ieguva elektronu potenciālās enerģijas virsmu apraksts, kvantu ķīmijas metožu un pārejas stāvokļa teorijas pielietošana.

Teorētiskā ķīmiskā fizika balstās uz teorētiska apraksta un aprēķinu algoritmu izveides, kā arī uz skaitliskiem aprēķiniem. Eksperimentālā ķīmiskā fizika mūsdienās saistās ar spektroskopijas, kodolmagnētiskās rezonanses, rentgendifrakcijas, lāzeru un skenējošās zondes mikroskopijas pielietošanu ķīmisku procesu pētīšanā. Teorētiskajā aprakstā papildu citās fizikas nozarēs izmantotajām metodēm ķīmiskajā fizikā plaši tiek pielietota fizikālā un ķīmiskā kinētika, kā arī molekulārā un kvantu dinamika.

Ķīmiskā fizika radusies 20. gs. 30. gados kā kvantu fizikas un kvantu ķīmijas izveidošanas sekas. Sākotnējais ķīmiskās fizikas attīstīšanas uzdevums bija pārtraukt mākslīgo fizikas un ķīmijas zinātņu nozaru sadalījumu gan pēc pētījuma metodēm, gan pēc pētījuma tēmām. Ķīmiskās fizikas pamatlicējs ir Džons Klarks Sleiters (John Clarke Slater) no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (Massachusetts Institute of Technology) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV), kas grāmatā “Ievads ķīmiskajā fizikā” (Introduction to Chemical Physics, 1939) pamatoja, kāpēc ķīmisko fiziku nepieciešams izdalīt kā atsevišķu pētniecības jomu. Kopš 1933. gada iznāk žurnāls Journal of Chemical Physics, kas mūsdienās lielā mērā nosaka, kuras ir ķīmiskās fizikas pētniecības tēmas. Sākotnējo ķīmiskās fizikas attīstību veicināja ķīmiskās saites teorētisko modeļu izveide Lainusa Polinga (Linus Carl Pauling) un Roberta Malikena (Robert Sanderson Mulliken) pētījumos. 20. gs. vidū notika ķīmisko reakciju kinētikas apraksta izveide un pielietošana ķīmisku reakciju aprakstam, bet 20. gs. beigās nozīmīga kļuva ķīmisko reakciju skaitliskā modelēšana, kvantu dinamikas apraksta izveide un lāzeru izmantošana reakciju pētīšanā, ko veicināja datoru attīstība.

Pašreizējos pētījumos aktuālās tēmas ir kodolu kustības iekļaušana molekulu īpašību aprēķina algoritmos, relatīvistisko efektu iekļaušana smagākus atomus saturošu molekulu aprakstos, sarežģītu un lielu molekulu īpašību apraksts ķīmijā un bioloģijā, pašorganizācija, reakciju pētīšana zemās un augstās temperatūrās, pie liela spiediena vai citos ekstrēmos fizikālos apstākļos. Pateicoties nanofizikas attīstībai un tam, ka nanomateriālu īpašības nosaka gan to ķīmiskais sastāvs, gan nanomateriālu ģeometriskie izmēri, strauji augošs pētījumu lauks ir nanomateriālu ķīmiskā fizika.

Maksa Planka Cietvielu ķīmiskās fizikas institūts (Max-Planck Instituts für Chemische Physik fester Stoffe ) ir ķīmiskās fizikas pētījumu centrs Eiropā, kurā tiek pētīti nanomateriāli un cietvielas. Hārvarda Universitātes (Harvard University) Ķīmijas un ķīmiskās bioloģijas nodaļā (Harvard Department of Chemistry and Chemical Biology) ASV tiek pētīts spektroskopijas metožu un teorētiskā apraksta pielietojums ķīmisko reakciju pētniecībā, kā arī ķīmiskās fizikas pielietojums bioloģijā. Daliaņas Ķīmiskās fizikas institūtā (大连化学物理研究所) Ķīnā tiek attīstīta lāzeru pielietošana ķīmisko reakciju pētīšanā, tiek pētīta katalīze un ķīmisko reakciju dinamika. Stenforda Universitātes (Stanford University) Ķīmijas nodaļā (Chemistry department) ASV tiek izmantoti lāzeri ķīmisko reakciju pētniecībai molekulārā līmenī un tiek pētītas molekulārās sadursmes.

Amerikas Fizikas institūts (American Institute of Physics) izdod žurnālu The Journal of Chemical Physics (kopš 1933. gada). Tas ir nozīmīgākais izdevums, kurā tiek publicēti pētījumi ķīmiskajā fizikā. Izdevniecība Elsevier izdod žurnālus Chemical Physics Letters (kopš 1967. gada) un Chemical Physics (kopš 1973. gada). Lielbritānijā tiek izdots žurnāls Physical Chemistry Chemical Physics (kopš 1999. gada). Kopš 1896. gada iznāk žurnāls Journal of Physical Chemistry (A, B, C), kas ir ietekmīgākais fizikālās ķīmijas nozares izdevums. Tajā tiek publicēti arī ķīmiskās fizikas pētījumi ķīmiķu mērķauditorijai.

Vācu fiziķis un ķīmiķis Ērihs Hikels (Erich Hückel) 20. gs. 30. gados radīja molekulāro orbitāļu metodi ķīmiskās saites aprakstam. Amerikāņu ķīmiķi L. Polings (Nobela prēmija 1954. gadā) un R. Malikens (Nobela prēmija 1966. gadā) attīstīja un pielietoja valences saišu metodi ķīmiskās saites skaidrošanai. Angļu fizikālķīmiķis Sirils Hinšelvuds (Cyril Norman Hinshelwood, Nobela prēmija 1956. gadā) izveidoja modeli ķīmisko reakciju kinētikas aprakstam uz cietvielu virsmas. Ķīmiķis Džons Polaņi (John Polanyi, Nobela prēmija 1986. gadā) pētīja un izveidoja teorētisku ķīmisko reakciju dinamikas aprakstu. Amerikāņu ķīmiķis Dadlijs Heršbahs (Dudley Robert Herschbach, Nobela prēmija 1986. gadā) attīstīja eksperimentālu molekulāro kūļu metodi ķīmisko reakciju dinamikas aprakstam. Kanādiešu ķīmiķis Rūdolfs Markuss (Rudolph Arthur Marcus, Nobela prēmija 1992. gadā) attīstīja elektronu pārneses teoriju ķīmiskās sistēmās. Ahmeds Zeveils (Ahmed Hassan Zewail, أحمد حسن زويل, Nobela prēmija 1999. gadā) izmantoja femtosekunžu lāzerus, lai reālā laikā novērotu, kā norisinās ķīmiskās reakcijas. Ķīmiķis Ričards Zērs (Richard Neil Zare) 20. gs. beigās attīstīja lāzeru pielietošanu ķīmisko reakciju dinamikas pētīšanai.