تستخدم النمذجة الرياضية في دراسة الفيزياء النظرية عبر إنشاء نماذج رياضية تمثل الظواهر الفيزيائية بشكل دقيق. ويتم استخدام النمذجة الرياضية لإجراء حسابات دقيقة وتوقعات لهذه الظواهر وتحليل نتائجها. ويتم استخدام العديد من التقنيات الرياضية في الفيزياء النظرية، مثل الجبر الخطي ونظرية المجموعات والتحليل الدالي ونظرية الاحتمالات وغيرها. ومن أمثلة النمذجة الرياضية في الفيزياء النظرية تحليل النظرية النسبية لأينشتاين ونظرية المجال الكمومي.
