主要有统计力学的应用和欧文·朗缪尔对胶体及表面化学的研究。另一个重要的发展，是20世纪30年代随着量子力学的发展而出现的量子化学、莱纳斯·鲍林在这个领域做出了突出的贡献。与此同时，实验技术也在大踏步的前进，各种光谱技术的应用，如红外波谱、微波波谱、电子自旋共振波谱和核磁共振波谱可能是20世纪最重要的一些科技成果。物理化学进一步的发展可能归功于在二战爆发前和二战期间核化学领域的一些新发现，特别是在同位素分离方面，还有最近在天体化学上的发现，以及对化合物理化性质的计算算法的发展（基本上包含了所有的理化性质，