Unutar oblasti proučavanja teorijske fizike, možda i najzanimljivija i najmističnija oblast jeste kvantna teorija polja. Ona objedinjuje kvantnu mehaniku i specijalnu teoriju relativnosti kako bi opisala čestično međudjelovanje i ponašanje. Sva proučavanja su temeljena na jednoj pretpostavci: da su osnovni gradivni elementi prirode polja, a ne čestice kao tačkasti objekti. Čestice se pojavljuju kao kvanti ovih polja, koji osciluju i integrišu u prostoru-vremenu. Zasad, zbog nemogućnosti izvođenja složenijih eksperimenata u oblasti ove teorije, mnogo toga se svodi na matematičke dokaze i izraze.

Šta je to polje? To je matematička funkcija koja dodjeljuje vrijednosti svakoj tački prostor-vremena. Unutar kvantne teorije polja se fizičke pojave opisuju pomoću skalarnog polja (Higgsovo polje), vektorskog polja (elektromagnetng) ili spinorskog polja (polje elektrona). Svaka tačka polja može se zamisliti kao oscilator kojeg kvantno međudjelovanje svakog trenutka može dovesti u pobuđeno stanje.

Matematički, polja se kvantiziraju, što znači da njihovo ponašanje zadovoljava određene kvantne relacije. Kvantne oscilacije polja odgovaraju stvaranju i uništavanju čestica. U tome ujedno i leži razlika između klasične i kvantne teorije polja. Svako pobuđivanje unutar polja odgovara specifičnoj energiji i zamahu, a skup svih mogućih stanja polja opisan je Hilbertovim prostorom.
Dinamika kvantnih polja se opisuje Lagrangijanom, koji definiše kako polje mijenja oblik u prostor-vremenu. Matematički, to je funkcional koji sadrži informacije o kinetičkoj energiji, masi i interakcijama sistema. Na primjer, Lagrangijan skalarnog polja uključuje termine koji opisuju kinetičku energiju i potencijal energije polja, kao i moguće nelinearne interakcije.

Samim time, čestice se ne mogu posmatrati kao klasični objekti, već pobuđivanja u stanju kvantnog polja. Naprimjer, elektron je pobuđivanje elektronskog spinorskog polja, dok je foton pobuđivanje elektromagnetnog vektorskog polja. Broj čestica u danom stanju nije fiksan – procesi stvaranja i uništavanja čestica su konstantni.
Ovi procesi opisani su matematički pomoću operatora stvaranja i uništavanja unutar Hilbertovog prostorta. Operator stvaranja dodaje česticu određenom kvantnom stanju, dok operator uništavanja uklanja česticu iz tog stanja. Nešto slično ovome je koncept konstruktora i destruktora u sklopu objektno-orijentisanog programiranja.

Kako bi se analizirale interakcije među česticama, koriste se perturbativne metode. Ove metode se temelje na razvoju u redovima prema snazi interakcije, gdje se osnovni (slobodni) sistem proširuje kako bi uključio interakcije. Matematički, amplituda kvantnog procesa izražava se kao vremenski razvrstani eksponencijalni operator.
Jedan od najvećih problema ove teorije polja je pojava divergencija – beskonačnih vrijednosti u kvantnim amplitudama. Nastaju kao posljedica fenomena poznatog kao kvantne fluktuacija i dešava se na kratkim udaljenostima, odnosno visokim energijama. Ove divergencije se mogu eliminisati matematičkim procesom renormalizacije.

Teško je sagledati ovakvu teoriju i ne postaviti neka filozofska pitanja. Da li su polja stvarna ili samo matematički alati? Naprimjer, polje može imati vrijednost u svakom dijelu prostor-vremena, ali ono što se mjeri u laboratoriji su čestice – kvanti polja. To otvara pitanje o prirodi stvarnosti: da li su čestice primarne, dok su polja samo aproksimacije, ili obrnuto?

Dodatno, ideja da prazni prostor nije zaista prazan, već ispunjen kvantnim fluktuacijama, je, u najmanju ruku, težak za konceptualizirati. Vakum poput svemira po shvatanju kvantne teorije polja nije apsolutna praznina, već stanje minimalne energije u kojem se fluktuacije stalno događaju.

Bez obzira na to, ova teorija je ipak je nevjerovatno uspješna u opisu velikog broja fenomena, ali ipak nije potpuna, jer uključuje sve elementarne sile osim gravitacije. Teorije poput struna ili petljaste kvantne gravitacije pokušavaju opisati gravitaciju kvantnim fenomenima, i čak postoje teorije o postojanju čestica gravitacije, gravitona, ali ništa od toga dosad nije dokazano.