Nozares teorijas un pētniecības metodes DNS struktūras noskaidrošana ļāva uzsākt intensīvus pētījumus ģenētiskās informācijas transkripcijas procesu fizikālo mehānismu izpētē. Šajos procesos būtiska loma ir DNS molekulu fizikālajām īpašībām. Tās raksturo DNS persistences garums, kas nosaka tās spēju liekties siltumfluktuāciju rezultātā. DNS persistences garums ir atkarīgs no šķīduma jonu spēka, un 0,1 M nātrija hlorīda (NaCl) šķīdumā tas ir aptuveni 50 nm. DNS, atšķirībā no citiem šūnās sastopamiem biopolimēriem (mikrotubulas, aktīns), ir mīksts biopolimērs. DNS ir negatīvi lādēts polielektrolīts, un normālos apstākļos tas nes vienu elementāro lādiņu uz 0,17 nm. DNS kā lādēta biopolimēra īpašības nosaka tās pakojumu šūnās, kad DNS ir satīts uz pozitīvi lādētiem proteīniem – histoniem –, veidojot nukleosomas.
DNS kā biopolimēra mehānisko īpašību noteikšanai izmanto magnētiskās pincetes, kuru darbība balstās uz mikronizmēra magnētiskas daļiņas piesaisti vienam DNS galam, tai pieliekot spēku un spēka momentu nehomogēnā ārējā magnētiskā laukā. Tādā veidā noskaidrots, ka DNS mehāniskās īpašības ir atkarīgas no tās vērpes. DNS dubultspirālei līdzsvara apstākļos atbilst 10,4 nukleotīdu pāri uz periodu. DNS transkripcijas procesā var tikt savērpta vairāk nekā līdzsvara stāvoklī. Tad veidojas superspirāles. Superspirāļu veidošanos raksturo Tw (vērpe) un Wr (lokanība) skaitļi, kuru summa nosaka saites skaitli Lk=Tw+Wr, kas ir topoloģisks invariants, tas ir, nemainās pie patvaļīgām kontūra deformācijām, to nesagriežot. Ja Lk ir lielāks nekā dubultspirālei līdzsvara stāvoklī papildu savērpšanas dēļ, tad molekula samazina vērpes deformācijā uzkrāto enerģiju (samazina Tw), tai izliecoties un palielinot Wr skaitli, kas raksturo molekulas kontūra paškrustošanos skaitu. Superspirāļu veidošanos novēro cirkulārām DNS, kas raksturīgas baktērijās producētām plazmīdām.
Hodžkina–Hakslija nervu signālu izplatīšanās modelis ir viens no galvenajiem 20. gs. biofizikas sasniegumiem. Principiāls šā modeļa sasniegums ir sprieguma regulētu jonu sūkņu atklāšana, kuri nosaka to plūsmu caur nervu šūnas membrānu. Ir zināms, ka šūnu iekšpusē elektriskais potenciāls ir zemāks nekā tās ārpusē. Šajā gadījumā sakām, ka šūna ir polarizēta. Ja šūnu depolarizē, tas ir, tās iekšienes potenciālu palielina, un depolarizācijas potenciāls ir pietiekami liels, pa nervu šūnu sāk izplatīties nedziestošs depolarizācijas impulss. Pēc impulsa šūnas potenciāls uzreiz neatgriežas pie sākotnējās vērtības, bet kādu laiku, ko sauc par refrakcijas laiku, šūna ir hiperpolarizēta. Lai izskaidrotu nātrija un kālija jonu koncentrācijas atšķirības šūnā un tās ārpusē (nātrija koncentrācija ir lielāka šūnas ārpusē, bet kālija šūnas iekšpusē), britu zinātniekiem Alanam Hodžkinam (Alan Lloyd Hodgkin) un Endrū Hakslijam (Andrew Huxley) bija nepieciešams pieņemt, ka eksistē specifiski jonu sūkņi, kuri nodrošina šo starpību. Tagad atrasts, ka to lomu pilda ar adenozīntrifosforskābi (ATP) saistīts membrānas proteīns, kurš ir atkarīgs no nātrija un kālija joniem. Depolarizējot šūnu, ja tās lielums pārsniedz kritisko, strauji pieaug membrānas caurlaidība nātrija joniem, un depolarizācija pieaug. Uzkrājoties pietiekami lielai nātrija koncentrācijai, pieaug caurlaidība kālija joniem, un membrāna pēc zināma refrakcijas laika atgriežas stacionārā stāvoklī.
Nozīmīga loma dzīvu organismu funkcionēšanā ir molekulārajiem motoriem – ķīmiskiem savienojumiem, kuri spēj pārvērst uzkrāto ķīmisko enerģiju mehāniskā darbā. Molekulāro motoru klāsts ir ļoti plašs. Plaši izplatīts ir miozīns, kas kopā ar aktīnu nodrošina muskuļu funkcionēšanu. To darbību nodrošina ATP. Muskuļu sarkomēra miozīns veido saišķus, kuri sastāv no daudzām miozīna molekulām un veido sarkomēra tumšo daļu. Hidrolizējot ATP, miozīna saišķi rada spēku, kas darbojas uz aktīnu, un, samazinoties H-zonas platumam, samazinās sarkomēra garums, un muskulis saraujas. Ir pazīstami daudzi miozīna veidi, kas pārsvarā atšķiras ar to astes daļas sastāvu un arī ar to radīto spēku. Eikariota tipa mikroorganismu kustīgumu nodrošina molekulārais motors dineīns. Mijiedarbojoties ar flagellās esošām mikrotubulām, dineīns nodrošina to slīdi vienai pret otru un tā rezultātā flagellu liekšanos, kas nodrošina mikroorganisma pārvietošanos. Molekulārais motors kinezīns, mijiedarbojoties ar mikrotubulām, nodrošina mitozes procesu un dažādu kravu pārnešanu prom no šūnas kodola. Pārnesi kodola virzienā nodrošina dineīns. Ir pazīstami arī vairāki citu molekulārie motori, piemēram, aktīna polimerizācijas motori nodrošina Listeria baktēriju pārvietošanos šūnās. Baktēriju kustīgumu nodrošina rotācijas motori, kuri patiesībā ir no proteīniem uzbūvētas elektriskas mašīnas. To uzbūves pamatā ir F0-F1 proteīni, kuri veido motora nekustīgo daļu – statoru ‒ un kustīgo rotoru. Lādētu daļiņu kustība caur speciāliem motora kanāliem, kas vērsta to elektroķīmiskā potenciāla samazināšanās virzienā, nodrošina rotora un tam piesaistītas flagellas griezes kustību. Dažādi molekulārie motori piedalās transkripcijas procesā.
Molekulāro motoru fizikālās īpašības tiek noteiktas, izmantojot lāzerpincetes. Šūnu mehāniskās īpašības nosaka citoskelets, kas ir dinamisks biopolimēru tīkls. Eikariotu šūnu citoskeletu veido tubulīns un aktīns. Biopolimēru tīklu fizikālās īpašības tiek pētītas, izmantojot mikroreoloģijas metodes. Izšķir aktīvo un pasīvo mikroreoloģiju. Aktīvā mikroreoloģijā tiek noteikta mikronizmēra daļiņas kustība pie dotā spēka, pasīvā mikroreoloģijā tiek reģistrēta koloidālas daļiņas siltumkustība. Prokariotu šūnās citoskeletu veido aktīnam analogi proteīni, kā MamK (magnetotaktiskās baktērijās) un citi. Biopolimēru tīklu mehānisko īpašību aprakstam tiek izmantots elastīga stieņa modelis, kurā tiek uzskatīts, ka pieliktās deformācijas rezultātā starp biopolimēru sasaistes punktiem notiek siltumfluktuāciju izsauktās biopolimēra deformācijas iztaisnošanās, kam nepieciešams noteikts spriegums. Šūnu funkcionēšanu nodrošina membrānas, kuras veido puscaurlaidīgu šūnas sienu ar apkārtējo vidi. Tā laiž cauri ūdeni, bet aiztur jonus un lielās molekulas. Membrānas veido amfifili savienojumi, kuriem ir divējāda daba – tie satur hidrofilo polāro daļu, kurai ir izdevīgi atrasties kontaktā ar ūdeni, un hidrofobo, kuras kontakts ar ūdeni nav enerģētiski izdevīgs. Lai apmierinātu šīs pretrunīgās prasības, amfifili ūdenī veido bislāņus, kuros polārās daļas ir pavērstas uz ūdeni, bet hidrofobās – viena pret otru. Amfifilu hidrofobās daļas veido dažādi ogļūdeņraži, piemēram, taukskābes. Lai nodrošinātu efektīvu jonu transportu cauri membrānai, nervu šūnu membrānās darbojas jonu sūkņi, kuri, patērējot ATP uzkrāto ķīmisko enerģiju, pārvada jonus termodinamiski neizdevīgā koncentrācijas pieaugšanas virzienā. Jonu sūkņu darbības atkarība no potenciālu starpības izskaidro nervu impulsa ģenerācijas un izplatīšanās likumsakarības. Membrānas ir viegli deformējamas, šī iemesla dēļ eritrocīti spēj iziet cauri tieviem kapilāriem. Baktērijām, piemēram, E-coli, var būt vairākas membrānas – iekšējā, kas ietver šūnu, un ārējā, kura ir kontaktā ar ārējo vidi. Starp membrānām ir slānis, ko sauc par periplazmu. Oksidācijas fosforizācijas rezultātā tajā veidojas paaugstināta ūdeņraža jonu koncentrācija, kuru plūsma darbina baktērijas membrānā inkorporēto rotācijas motoru. Līdzīgā veidā mitohondrijos tiek producēts ATP.
Sistēmu biofizikā par paradigmu var uzskatīt Alana Tjūringa (Alan Mathison Turing) izveidoto morfoģenēzes teoriju, saskaņā ar kuru difundējošu, ķīmiski reaģējošu komponentu maisījumā veidojas telpiski nehomogēnas struktūras. Partikulārs piemērs ir aktivatora-inhibitora sistēma. Ja aktivators autokatalītiski stimulē tā uzkrāšanos, kā arī rada inhibitoru, kurš bremzē aktivatora uzkrāšanos, tad gadījumā, ja inhibitora difūzija ir daudz ātrāka nekā aktivatora difūzija, veidojas telpiski nehomogēnas struktūras, piemēram, kā zebru krāsojums.