Al principio del siglo XIX, los términos energía y fuerza eran usados como sinónimos. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholz (1821-1894) concibió el principio de conservación de la energía, luego llamada "primera ley de la termodinámica". La segunda ley de la termodinámica fue propuesta por Rudolf Clausius (1822-1888).
Los trabajos de James Clerk Maxwell (1831-1879) unificaron los fenómenos de la electricidad, el magnetismo y la luz en un campo: el electromagnetismo. Fue Maxwell quien mostró por primera vez que la radiación electromagnética consta de ondas.
En la última decada del siglo XIX fueron descubiertos los rayos X (Wilhelm Röntgen 1845-1923), y la radioactividad (Henri Becquerel 1852-1908, Marie Curie 1867-1934 y Pierre Curie 1859-1906).
Albert Einstein (1879-1955) publicó su teoría general de la relatividad en 1916 revolucionando la vision del espacio, la materia, la energía y el tiempo de la era newtoniana. La teoría de la relatividad establece que la energía y la masa son equivalentes, como lo expresa la famosa ecuación E=mc2, en donde c es la velocidad de la luz.
Georges Lemaître (1894-1966) quedó fascinado con la teoría de Einstein. Lemaître propuso en 1933 que el universo estaba en expansión luego de la explosión de un átomo primordial. Fue Edwin Powell Hubble (1889-1953) quien descubrió en 1929 que las galaxias externas a la Vía Láctea se alejaban.
Asi, La teoría del big bang mejorada por George Gamow (1904-1968) es la explicación del origen del universo más ampliamente aceptada entre los físicos hoy en dia.
En 1901, Max Planck (1858-1947) propuso los cuantos energéticos, pequeños paquetes de onda, que vendrían a ser la base de la física cuántica.
Werner Karl Heisenberg (1901-1976), Erwin Schrödinger (1887-1961) y Paul Dirac (1902-1984) son considerados los creadores de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica es, al día de hoy, la teoría que explica todos los fenómenos físicos.
Cuando un átomo se descompone, se produce una reacción en cadena que libera energía. Este fenómeno explica la fuerza de una bomba atómica y el aprovechamiento energético en una estación de energía nuclear. El primer reactor nuclear en activarse fue Chicago Pile-1, en diciembre 1942, construido para producir plutonio como arma nuclear.
La unión entre protones y neutrones en el núcleo del átomo fue descubierta por Hideki Yukawa (1907-1981). Yukawa propuso la fuerza nuclear fuerte como la fuerza que mantiene los protones comprimidos dentro del núcleo. Se descubren entonces los mesones que son partículas que se intercambian entre protones y neutrones.