古希臘時代的阿基米德已經在流體靜力學和固體的平衡方面取得輝煌成就，但當時將這些歸入應用數學，並沒有將他的成果特別是他的精確實驗和嚴格的數學論證方法汲入物理學中。從希臘、羅馬到漫長的中世紀，自然哲學始終是亞裏士多德的壹統天下。到了文藝復興時期，哥白尼、布魯諾、開普勒和伽利略不顧宗教的迫害，向舊傳統挑戰，其中伽利略把物理理論和定律建立在嚴格的實驗和科學的論證上，因此被尊稱為物理學或科學之父。
伽利略的成就是多方面的，僅就力學而言，他以物體從光滑斜面下滑將在另壹斜面上升到同壹高度，推論出如另壹斜面的傾角極小，為達到同壹高度，物體將以勻速運動趨於無限遠，從而得出如無外力作用，物體將運動不息的結論 。他精確地測定不同重量的物體以同壹加速度沿光滑斜面下滑，並推論出物體自由下落時的加速度及其運動方程，駁倒了亞裏士多德重物下落比輕物快的結論，並綜合水平方向的勻速運動和垂直地面方向的勻加速運動得出拋物線軌跡和45°的最大射程角，伽利略還分析“地常動移而人不知”，提出著名的“伽利略相對性原理”（中國的成書於1800年前的《尚書考靈曜》有類似結論）。但他對力和運動變化關系的分析仍是錯誤的。全面、正確地概括力和運動關系的是牛頓的三條運動定律，牛頓還把地面上的重力外推到月球和整個太陽系，建立了萬有引力定律。牛頓以上述的四條定律並運用他創造的“流數法”(即今微積分初步)，解決了太陽系中的二體問題，推導出開普勒三定律，從理論上解決了地球上的潮汐問題。史稱牛頓是第壹個綜合天上和地上的機械運動並取得偉大成就的物理學家。與此同時，幾何光學也有很大發展，在16世紀末或17世紀初，先後發明了顯微鏡和望遠鏡，開普勒、伽利略和牛頓都對望遠鏡作很大的改進。
法國在大革命的前後，人才輩出，以P.S.M.拉普拉斯為首的法國科學家(史稱拉普拉斯學派)將牛頓的力學理論發揚光大，把偏微分方程運用於天體力學，求出了太陽系內三體和多體問題的近似解，初步探討並解決了太陽系的起源和穩定性問題，使天體力學達到相當完善的境界。在牛頓和拉普拉斯的太陽系內，主宰天體運動的已經不是造物主，而是萬有引力，難怪拿破侖在聽完拉普拉斯的太陽系介紹後就問 ：妳把上帝放在什麽地位？無神論者拉普拉斯則直率地回答 ：我不需要這個假設。
拉普拉斯學派還將力學規律廣泛用於剛體、流體和固體，加上W.R.哈密頓、G.G.斯托克斯等的***同努力，完善了分析力學，把經典力學推進到更高階段。該學派還將各種物理現象如熱、光、電、磁甚至化學作用都歸於粒子間的吸引和排斥，例如用光子受物質的排斥解釋反射，光微粒受物質的吸引解釋折射和衍射，用光子具有不同的外形以解釋偏振，以及用熱質粒子相互排斥來解釋熱膨脹、蒸發等等，都壹度取得成功，從而使機械的唯物世界觀統治了數十年。正當這學派聲勢煊赫、如日中天時，受到英國物理學家T.楊和這個學派的後院法蘭西科學院及科學界的挑戰，J.B.V.傅裏葉從熱傳導方面，T.楊、D.F.J.阿拉戈、A.-J.菲涅耳從光學方面，特別是光的波動說和粒子說（見光的二象性）的論爭在物理史上是壹個重大的事件。為了駁倒微粒說，年輕的土木工程師菲涅耳在阿拉戈的支持下，制成了多種後以他的姓命名的幹涉和衍射設備，並將光波的幹涉性引入惠更斯的波陣面在介質中傳播的理論 ，形成惠更斯-菲涅耳原理，還大膽地提出光是橫波的假設，並用以研究各種光的偏振及偏振光的幹涉，他創造了“菲涅耳波帶”法，完滿地說明了球面波的衍射，並假設光是以太的機械橫波解決了光在不同介質界面上反射、折射的強度和偏振問題，從而完成了經典的波動光學理論。菲涅耳還提出地球自轉使表面上的部分以太漂移的假設並給出曳引系數。也在阿拉戈的支持下，J.B.L.傅科和A.H.L.菲佐測定光速在水中確比空氣中為小，從而確定了波動說的勝利，史稱這個實驗為光的判決性實驗。此後，光的波動說及以太論統治了19世紀的後半世紀，著名物理學家如法拉第、麥克斯韋、開爾文等都對以太論堅信不疑。另壹方面，利用幹涉儀內幹涉條紋的移動，可以精確地測定長度、速度、曲率的極微細的變化；利用棱鏡和衍射光柵產生的光譜，可以確定地上和天上的物質的成分及原子內部的變化。因此這些光學儀器已成為物理學、分析化學、物理化學和天體物理學中的重要實驗手段。
蒸汽機的發明推動了熱學的發展 ，18世紀60年代在 J.瓦特改進蒸汽機的同時，他的摯友J.布萊克區分了溫度和熱量，建立了比熱容和潛熱概念，發展了量溫學和量熱學，所形成的熱質說和熱質守恒概念統治了80多年。在此期間，盡管發現了氣體定律，度量了不同物質的比熱容和各類潛熱 ，但對蒸汽機的改進幫助不大，蒸汽機始終以很低的效率運行。1755年法國科學院堅定地否決了永動機 。1807年T.楊以“能”代替萊布尼茲的“活力” ，1826年 J. V. 彭賽列創造了“功”這個詞。1798年和1799年，朗福德和H.戴維分析了摩擦生熱，向熱質說挑戰；J.P.焦耳從 19 世紀 40 年代起到1878年，花了近40年時間，用電熱和機械功等各種方法精確地測定了熱功當量 ；生理學家 J.R.邁爾和H.von亥姆霍茲 ，更從機械能、電能、化學能、生物能和熱的轉換，全面地說明能量既不能產生也不會消失，確立了熱力學第壹定律即能量守恒定律。在此前後，1824年，S.卡諾根據他對蒸汽機效率的調查，據熱質說推導出理想熱機效率由熱源和冷卻源的溫度確定的定律。文章發表後並未引起註意。後經R.克勞修斯和開爾文分別提出兩種表述後，才確認為熱力學第二定律。克勞修斯還引入新的態函數熵；以後，焓、亥姆霍茲函數、吉布斯函數 等態函數相繼引入 ，開創了物理 化學 中的重要分支——熱化學。熱力學指明了發明新熱機、提高熱機效率等的方向，開創了熱工學；而且在物理學、化學、機械工程、化學工程 、冶金學等方面也有廣泛的指向和推動作用。這些使物理化學開創人之壹W.奧斯特瓦爾德曾壹度否認原子和分子的存在 ，而宣揚“唯能論”，視能量為世界的最終存在 。但另壹方面，J.C.麥克斯韋的分子速度分布率（見麥克斯韋分布）和L.玻耳茲曼的能量均分定理把熱學和力學綜合起來，並將概率規律引入物理學，用以研究大量分子的運動，創建了氣體分子動力論（現稱氣體動理論），確立了氣體的壓強、內能、比熱容等的統計性質，得到了與熱力學協調壹致的結論。玻耳茲曼還進壹步認為熱力學第二定律是統計規律，把熵同狀態的概率聯系起來，建立了統計熱力學。任何實際物理現象都不可避免地涉及能量的轉換和熱量的傳遞，熱力學定律就成為綜合壹切物理現象的基本規律。經過20世紀的物理學革命，這些定律仍然成立。而且平衡和不平衡、可逆和不可逆、有序和無序乃至漲落和混沌等概念，已經從有關的自然科學分支中移植到社會科學中。