理论物理学家常常站在黑板前思考、计算，然后做出预测；而实验物理学家则会利用一些先进工具，比如激光、粒子加速器或望远镜，设计和进行实验和观测，来收集足够多的数据。这二者之间往往相互依赖：实验家试图验证一个理论是否正确，而理论家尝试对实验观测加以解释。
在物理学史上有过许多伟大的预测，有的在被提出之后很快就得到了验证，有的则在几十年甚至百年才得以证明。以近年来才被直接探测到的引力波为例，这是爱因斯坦在百年前就已经预测的。除了引力波之外，物理学史上还有哪些著名的理论预测呢？
1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，首次提出了万有引力定律和牛顿运动定律，为研究物理宇宙带来了新的秩序。应用自己提出的定律，牛顿在数学上推导出了开普勒行星运动定律——描述了行星围绕太阳的运动。
法国数学家和物理学家泊松曾做出过一个他原本认为是错误的预测。19世纪初，以泊松为代表的科学家认为光的本质是粒子。而法国物理学家菲涅尔却认为光是一种波，并提出光能产生衍射行为。
19世纪60年代，麦克斯韦将电磁学领域的理论公式化，他推导出一组与电和磁有关的偏微分方程，并预测光是一种电磁波。1865年，麦克斯韦将光波的速度写成了由传播光的介质的磁导率和介电常数构成的一个表达式，计算出光在空气中的速度为310740000米/秒。
19世纪40年代，天文学家勒威耶观察到水星的轨道与牛顿定律的预测不同。他发现水星的椭圆轨道的近日点会绕着太阳移动。这一变化非常缓慢，每世纪只变化575角秒。
在元素周期表中，每增添一个新的元素都一次巨大的突破，然而在上世纪40年代，物理学家玛丽·戈佩特-迈耶做到了一次添加整整一行。当迈耶在哥伦比亚大学无薪任教时，她遇到了正试图研究铀的衰变产物，以及可能比铀更重的元素的费米。
格林函数是一种求解复杂微分方程的方法，而物理学家施温格便是运用这种函数的大师。在二战时期，他基于格林函数发展了雷达和波导技术；在战后，他又将其应用在了量子电动力学（QED）上。
20世纪30年代，科学家已经确定恒星可以从原子核的聚变中获取能量：质子聚变成氦核、两个氦核聚变成铍-8，但是没有人知道碳-12是如何从不稳定的铍-8形成的。理论上看，三个氦核可以形成碳-12；但据计算，三氦过程形成碳-12的可能性很低，无法用它来解释碳-12的无处不在。
宇称守恒为电磁力和强力建立了牢固的理论基础，因此几乎所有人都认为，对于弱力来说，宇称也应该是守恒的。然而，上世纪50年代，杨振宁和李政道提出，在弱相互作用中，宇称对称性会遭到破坏。
1962年，约瑟夫森预测了一个宏观的量子效应。他通过计算，预测出对于两个被一个薄绝缘层或一小段非超导金属隔开的超导体的结构（约瑟夫森结）来说，一对电子（库珀对）组成的“直流超电流”可以穿越势垒，从一个超导体量子隧穿到另一个超导体。
1970年，鲁宾和福特对邻近的仙女座星系（M31）进行了观测。他们预期会观测到的现象是，靠近中心的天体比靠近边缘的天体移动更快。然而他们实际观测到的是，无论在距离中心区域多远的位置，天体都以相同的速度移动。