Teoretikere forsøker å utvikle teorier som kan beskrive og forklare eksisterende resultater fra eksperimenter (empiri), og forutsi framtidige utfall av samme og beslektede forsøk, ved hjelp av matematisk modeller. Labforskere utvikler og gjennomfører eksperimenter for å undersøke nye fenomener og teste teoretiske modeller. Selv om teorier og eksperimenter utvikles relativt separat, er de sterkt avhengige av hverandre. Dersom resultater fra eksperimenter ikke kan forklares med eksisterende teoretisk kunnskap, fører dette ofte til utvikling av nye teorier. På den annen side kan nye teoretiske ideer føre til nye eksperimenter. En del av kritikken mot M-teorien, en populær teori i partikkelfysikk, er at man ikke har funnet noen måter å teste den eksperimentelt.