Teoretisk fysik er en gren af fysik, der anvender matematiske modeller og abstraktioner af fysiske objekter og systemer til at rationalisere, forklare og forudsige naturfænomener. Dette er i modsætning til eksperimentel fysik, som bruger eksperimentelle værktøjer til at undersøge disse fænomener.
Videnskabens fremskridt afhænger generelt af samspillet mellem eksperimentelle undersøgelser og teori. I nogle tilfælde overholder teoretisk fysik standarder for matematisk stringens, samtidig med at eksperimenter og observationer ikke lægges vægt på.[a] For eksempel, mens han udviklede speciel relativitet, var Albert Einstein bekymret for Lorentz-transformationen, som efterlod Maxwells ligninger invariable, men var tilsyneladende uinteresseret i Michelson-Morley-eksperimentet på Jordens drift gennem en lysende æter.
Omvendt blev Einstein tildelt Nobelprisen for at forklare den fotoelektriske effekt, tidligere et eksperimentelt resultat, der manglede en teoretisk formulering.