其研究对象分为六个分支学科：①冶金热力学：研究多元多相复杂冶金体系的冶金热力学、化合物的热力学数据、表面和界面热力学。②
冶金反应动力学：研究冶金反应微观与宏观动力学、
结晶动力学、材料制备过程的动力学、分形体的冶金反应动力学、纳米粒子的冶金反应动力学。③
冶金电化学和固体电化学：研究渣-金界面反应的电化学机理、新型电池的物理化学、
固体电解质电池和
电化学传感器。④冶金熔体和溶液理论：研究冶金熔体（熔渣、熔锍、熔盐和金属熔体）的物性、冶金熔体的热力学模型和结构、水溶液和电解质溶液的物性及乳浊液、悬浊液及
无机高分子溶液结构。⑤材料物理化学：研究材料制备过程的热力学和动力学，材料的组成、组织、结构及其与性质或功能的关系，材料与使用环境间相互作用的物理化学，材料的组成、结构和性质的遗传行为等。⑥计算冶金与材料物理化学：多元、多相冶金体系平衡与相图计算，MC方法、MD方法、
模式识别技术、
人工神经网络技术、支持向量计算法等在冶金中的应用，量子化学计算在冶金中的应用，冶金过程的计算机模拟和专家系统，以及冶金数据库等。
传统的冶金物理化学指
冶金过程物理化学，其学科内容包括冶金过程
热力学、
冶金过程动力学及冶金熔体3部分。随着学科的不断发展，与相关学科的交叉融合，新的冶金物理化学学科包括了冶金热力学与热化学、冶金动力学与过程强化、冶金熔体、冶金电化学基础理论及电化学工程、有色金属二次资源化学、材料物理化学与新能源材料、纳米材料制备物理化学、资源与环境的物理化学、绿色冶金与材料制备的物理化学、冶金非线性理论、外场作用的冶金物理化学、生物冶金物理化学、冶金物理化学研究的新方法、新测试技术和新仪器等。
冶金热力学与热化学是利用
化学热力学的原理研究冶金反应过程的可能性(方向)及反应达到平衡的条件，以及在该条件下反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数(温度、压力、浓度及添加剂的选择)。
冶金动力学与过程强化是利用化学动力学的原理及物质、热能、动量传输的原理来研究冶金过程的速率和机理，确定反应过程速率的限制环节，从而得出控制或提高反应的速率，缩短冶炼时间，增加生产率的途径。
冶金熔体是火法冶金反应中参加的具体物质，包括金属互治的金属熔体、氧化物互治的熔渣及硫化物互溶的熔锍等。它研究熔体的相平衡、结构及其物理和化学性质，而熔体的组分是反应的直接参加者，熔体的结构及性质则直接控制反应的进行。
冶金电化学是利用电化学的知识来设计和指导冶金过程的理论。常见的有电解铝冶金、电解锰冶金、贵重金属的电解冶金等。
材料物理化学与新能源材料是冶金物理化学学科不断发展的另一新兴分支。它是将传统的冶金学理论运用于
新型材料的制备和应用。目前该领域的研究和发展十分火热，发展方向也越来越多元和宽阔，涉及了高性能
金属材料、功能材料、新能源材料等多方面。例如中南大学冶金及应用物理化学研究所在长期从事有色冶金的基础上，不断拓宽研究领域，近年来在
光催化材料（TiO2、WO3）、催化剂开发、太阳能电池材料、
薄膜材料领域取得巨大的研究成果。电池大王王传福就是毕业于中南大学该专业，从事新能源电动车电池技术的研发人员大多与该专业有关。
冶金物理化学的基础是物理化学、物理学、数学、冶金学、金属学等；与其相邻的学科有：材料化学、材料物理、
材料科学与工程、物理化学和化学化工等。
主修课程：物理化学、物理学、数学、冶金学、金属学、材料物理化学、冶金热力学、冶金动力学、湿法冶金配位化学、稀有金属冶金专论、重金属冶金专论、材料化学与工程、材料电化学、稀土化学与材料、新能源材料、表面物理化学等。