No fue hasta principios del siglo XX cuando el estudio de las ecuaciones de la física matemática se convirtió en el contenido principal de la física matemática. Desde entonces, han surgido muchos nuevos problemas de ecuaciones diferenciales parciales en relación con las necesidades de la física del plasma, la física del estado sólido, la óptica no lineal, la tecnología espacial y la tecnología nuclear, como ondas aisladas, soluciones discontinuas, soluciones bifurcadas, problemas inversos, etc. Enriquecen aún más el contenido de las ecuaciones matemáticas y físicas. Funciones de variables complejas, transformaciones integrales, funciones especiales, métodos variacionales, análisis armónicos, análisis funcional e incluso geometría diferencial y geometría algebraica son herramientas efectivas para estudiar ecuaciones físicas matemáticas.
Desde el siglo XX, debido a la actualización de los contenidos de la física, la física matemática ha adquirido un nuevo cariz. Con el estudio en profundidad de la teoría electromagnética y el campo gravitacional, la visión de la gente sobre el espacio y el tiempo ha experimentado cambios fundamentales, haciendo que la geometría del espacio Minkovsky y el espacio Riemann (la variedad de Lorentz en el sentido moderno) se convierta en la teoría especial de la relatividad de Einstein y en la necesaria Teoría matemática de la relatividad general. Muchas cantidades físicas están representadas por vectores, tensores y espinores. La geometría diferencial global también es necesaria cuando se analiza la estructura del espacio-tiempo a gran escala.
La aparición de la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos ha enriquecido la física matemática. En mecánica cuántica, el estado de la materia se describe mediante la función de onda, la cantidad física se convierte en el operador y la cantidad física medida es el espectro del operador. En la teoría cuántica de campos, las funciones de onda se recuantizan en operadores que describen la creación y destrucción de partículas en interacciones electromagnéticas, interacciones débiles e interacciones fuertes. Por tanto, es necesario estudiar los espectros de operadores, el análisis espectral de funciones y el álgebra formada por operadores en varios espacios funcionales. Al mismo tiempo, se deben estudiar las bases matemáticas de la expansión y renormalización de las perturbaciones (para abordar las dificultades de divergencia). Además, el estudio de la teoría de campos no lineal utilizando métodos no perturbativos también es un tema digno de mención. Las diversas simetrías reveladas en los objetos físicos hacen que la teoría de grupos sea muy útil. Las estructuras cristalinas están dadas por varios subgrupos del grupo de movimiento espacial euclidiano. Varias representaciones de grupos ortogonales y grupos de Lorenz juegan un papel importante en la discusión de muchos problemas físicos con simetría espacio-temporal. También existen varias simetrías entre partículas elementales, y algunas relaciones entre ellas pueden aclararse según la teoría de grupos. El estudio de las simetrías internas de las partículas elementales condujo al surgimiento de la teoría de Yang-Mills. Es de gran importancia en la física de partículas, ya que unifica las teorías de la interacción débil y la interacción electromagnética y proporciona una herramienta para estudiar la estructura de los hadrones. Esta teoría se basa en potenciales de calibre, conexiones en haces de fibras que estudian los matemáticos (un concepto muy importante en la geometría diferencial moderna). Las invariantes topológicas relativas a los haces de fibras también están empezando a desempeñar un papel en la física.
Los objetos microfísicos suelen ser aleatorios. En física estadística clásica, es necesario estudiar en profundidad las leyes estadísticas de diversos procesos estocásticos.