物理学中一些尚未解决的主要问题是理论性的，这意味着现有的理论似乎无法解释某种观察到的现象或实验结果。其他的都是实验性的，这意味着很难创建一个实验来验证一个被提出的理论或者更详细地研究一个现象。
在物理学的标准模型之外，仍然存在一些问题，例如强相互作用的CP问题、中微子质量、物质-反物质不对称性、暗物质和暗能量的本质。另一个问题存在于标准模型本身的数学框架内ーー标准模型与广义相对论模型不一致，以至于其中一个或两个理论在某些条件下崩溃(例如在已知的时空奇点，如大爆炸和事件视界之外的黑洞中心)。
下面是一系列值得注意的未解决的问题，按照物理学的广泛领域分类
万有理论: 是否存在一个单一的、包罗万象的、连贯的物理学理论框架，能够充分解释和联系宇宙的所有物理方面？
无量纲物理常数: 目前，各种无量纲物理常数的数值无法计算，只能通过物理测量来确定。无量纲物理常数的最小数目是多少? 其他所有无量纲物理常数都可以从中推导出来？空间物理常数有必要吗？
量子引力: 量子力学和广义相对论可以作为一个完全一致的理论来实现吗？时空本质上是连续的还是离散的？一个一致的理论是否包含一个由假想的引力子调节的力，或者是时空本身的一个离散结构的产物(如回圈量子重力) ？在非常小或者非常大的尺度上，或者在量子引力机制产生的其他极端情况下，广义相对论的预测是否有偏差？
真空灾难: 为什么量子真空的预测质量对宇宙的膨胀几乎没有影响
宇宙的起源和未来: 任何事物存在的条件是如何产生的？宇宙是走向大冰冻，大撕裂，大坍缩，还是大反弹？或者它是无限循环模型的一部分？
宇宙的大小: 可观测宇宙的直径约为930亿光年，但是整个宇宙的大小是多少呢？
暗物质: 暗物质的特性是什么？[17]它是粒子吗？如果是这样，它是 WIMP，轴子，最轻的超伴星(LSP) ，还是其他粒子？或者，这种归因于暗物质的现象并不是指向某种形式的物质，而是指向引力的延伸？
暗能量: 观测到的宇宙加速膨胀(德西特相)的原因是什么？这些观测结果是否被正确地解释为宇宙的加速膨胀，或者它们是否证明了宇宙学原理是错误的？[21][22]为什么暗能量组分的能量密度与目前物质的密度相同，而两者随着时间的推移演变却大相径庭; 难道仅仅是因为我们在正确的时间进行观测吗？暗能量是纯粹的宇宙学常数还是幽灵能量这样的精髓模型是可行的？
宇宙的形状: 什么是共生空间的三重流形，也就是说，宇宙的共生空间部分，非正式地称为宇宙的“形状”？曲率和拓扑结构目前还不知道，尽管已知曲率在可观测的尺度上“接近”为零。宇宙膨胀假说认为宇宙的形状可能是无法测量的，但是，自2003年以来，Jean-Pierre Luminet 等人和其他团体已经提出，宇宙的形状可能是庞加莱十二面体空间。形状是不可测的，庞加莱空间，还是另一个3- 流形？
额外维度: 自然界是否有四个以上的时空维度？如果是的话，它们的尺寸是多少？维度是宇宙的基本属性还是其他物理定律的产物？我们能通过实验观察到更高空间维度的证据吗？
磁单极子: 带有“磁荷”的粒子是否存在于过去的某个高能时代？如果有，今天还有吗？(保罗 · 狄拉克证明了某些类型的磁单极子的存在可以解释电荷量子化。)
物质世代: 为什么有三代夸克和轻子？有没有一种理论可以用第一性原理(汤川耦合理论)来解释特定的夸克和轻子的质量？
超对称性: 时空超对称性是否在 TeV 尺度上实现？如果是这样的话，超对称破缺的机制是什么？超对称性是否能稳定弱电尺度，防止高量子修正？最轻的超对称粒子是否包含暗物质？
质子衰变和自旋危机: 质子基本稳定吗？还是像标准模型的某些扩展所预测的那样，衰变为有限的寿命？[30]夸克和胶子是如何携带质子自旋的？