Fizyka matematyczna – dziedzina wiedzy leżąca na pograniczu fizyki teoretycznej i matematyki. Zajmuje się rozwijaniem działów matematyki wykorzystywanych w fizyce oraz badaniem matematycznej struktury teorii i hipotez fizycznych. 

Fizyka matematyczna mniej zajmuje się fizycznymi aspektami teorii fizycznych, za to kładzie szczególny nacisk na matematyczną strukturę tych teorii. Fizycy matematyczni zajmują się w szczególności:

rozwijaniem działów matematyki używanych do opisu zjawisk fizycznych

uściślaniem matematycznych podstaw teorii fizycznych

tworzeniem nowych struktur matematycznych, które mogą zostać w przyszłości użyte w fizyce teoretycznej.

Granica pomiędzy fizyką teoretyczną a fizyką matematyczną w niektórych dziedzinach jest bardzo płynna. Przykładem może być teoria grawitacji, gdzie podstawowe wysiłki fizyków teoretyków skupiają się na badaniu i konstruowaniu odpowiednich struktur matematycznych do opisu rzeczywistości. Dlatego też w tych przypadkach określają się sami jako fizycy bądź matematycy.

Do dziedzin, wchodzących w zakres fizyki matematycznej lub związanych z nią, należą:

matematyczne podstawy mechaniki klasycznej i kwantowej

teoria grawitacji

analiza funkcjonalna, teoria miary, geometria różniczkowa

teoria grup i ich reprezentacje

teoria równań różniczkowych

matematyczne aspekty teorii pola.