本學科依託於北京大學分子動態與穩態國家重點實驗室、理論與計算化學研究所和北京大學核磁中心，圍繞物理化學領域的核心和前沿問題開展研究，涵蓋了材料物理化學、納米化學、生物物理化學、膠體與介面化學、催化化學、理論與計算化學等六個主要方向。本學科在歷次全國重點學科評估中名列物理化學學科第一，擁有中科院院士二人(唐有祺教授和吳雲東教授)，長江特聘教授六名(劉忠範、來魯華、吳雲東、劉文劍、金長文、夏斌)，國家傑出青年基金獲得者十名(劉忠範、來魯華、王遠、吳凱、黃建濱、齊利民、徐東昇、吳雲東、金長文、夏斌)，教育部“新世紀優秀人才支援計劃”入選者二名(張錦、劉海超)，一個國家自然科學基金委“創新研究羣體”和一個教育部“創新團隊”。現有博士生導師20名，每年招收5年制碩博連讀生和4年制博士研究生2530 名。本學科擁有一流的學術研究環境，經過“985工程”和“211工程”建設，實驗條件得到大幅度提升，主要研究手段包括：X射線粉末和單晶衍射儀3臺，超高真空變溫和常規掃描探針顯微鏡7臺，超高真空能譜儀(Kratos)，超高真空電子束沉積系統(Balzers)，化學氣相沉積系統6套，掃描電子顯微鏡(Hitachi 4800)，500兆/600兆/800兆核磁共振譜儀4臺，微探針臺電學測試系統，FTIR、Raman、UVVIS光譜儀多臺，以及大型計算平臺等。目前承擔着包括“973”、“863”、國家自然科學基金重大和重點項目、創新研究羣體基金、國家傑出青年科學基金、科技部示範工程等一大批科研項目。近年來在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、PNAS、Adv. Mater.、J. Phys. Chem.、J. Bio. Chem.等國際一流學術刊物上發表的論文數量穩步增加。近年來每年發表SCI文章100多篇，高質量論文所佔比例逐年增加，其中2005年發表影響因子大於3的論文佔論文總數約45%，並獲得國家和部委獎勵多項。本專業對於推動我國物理化學的發展做出過重要貢獻，在國際物理化學界具有一定的學術地位和影響，未來也必將會繼續保持快速發展的良好態勢。熱忱歡迎對物理化學專業學習和研究感興趣的同學加入到這個朝氣蓬勃的隊伍中來!
主要研究方向如下表：
| 序號 | 研究方向名稱 | 主要研究內容、特色與意義 | 指導教師 |
| 1 | 材料物理化學 | 以特定的功能爲導向，在分子水平上實現結構的設計和施工，研究構件的形成和組裝規律，並在此基礎上對特定性能的材料與器件進行定向合成。表面材料的控制生長和固體表面的結構和理化性能的研究。表面組裝與表面調控反應。 | 章士偉 王 遠 吳 凱 徐東昇 |
| 2 | 納米化學與納米結構器件 | 發展納米結構的加工、組裝和可控生長方法以及基於掃描探針顯微技術的高分辨納米物性測量方法。透過納米尺度的物理化學過程研究，探索新原理納米結構器件的科學基礎。 | 劉忠範 張 錦 朱 濤 |
| 3 | 生物物理化學 | 從實驗和理論兩方面系統地開展蛋白質摺疊、結構預測、模擬與分子設計以及基於結構的藥物設計方法的研究。生物大分子結構與功能關係的研究。 | 唐有祺 來魯華 黃其辰 金長文 夏 斌 曹傲能 劉 瑩 |
| 4 | 膠體與介面化學 | 兩親分子有序組合功能體系的形成、結構與微環境；兩親分子與大分子的相互作用；兩親分子及大分子引導下的仿生材料合成、納米結構的溶液法合成與有序組裝。 | 黃建濱 齊利民 肖進新 |
| 5 | 催化化學 | 新型功能化離子液體的合成及其特異催化性能的研究；原子/分子水平上新型（多相和均相）催化劑的設計合成、催化劑構效關係和反應機理的研究以及綠色或原子經濟催化反應的開發。 | 段連運 寇 元 劉海超 朱月香 |
| 6 | 理論與計算化學 | 發展相對論量子化學理論方法和軟件，研究含重元素體系的電子結構、激發態、化學反應與催化反應機理；系統開展有機與生物大分子的理論研究。 | 吳雲東 劉文劍 |