Các nghiên cứu trong vật lý hạt hiện đại tập trung vào các hạt hạ nguyên tử, là những hạt có cấu trúc nhỏ hơn nguyên tử. Nó bao gồm những hạt cấu thành nguyên tử như electron, proton, neutron (proton và neutron được tạo ra bởi các hạt sơ cấp gọi là quark), các hạt được tạo ra bởi quá trình bức xạ hay phân rã như photon, neutrino, muon, cũng như một số lượng lớn các hạt ngoại lai.

Đối tượng nghiên cứu của vật lý hạt tuân thủ theo các định luật trong cơ học lượng tử. Ví dụ như chúng có lưỡng tính sóng-hạt - các hạt này vừa biểu hiện tính hạt như những hạt vật chất khác, vừa có thể biểu diễn dưới dạng sóng như trong các hàm sóng. Trên lý thuyết, không có sự phân biệt giữa tính hạt và tính sóng, mà nó đều được biểu diễn bằng các véc tơ trạng thái trong không gian Hilbert.

Có hai loại hạt, hạt cơ bản hay còn gọi là hạt sơ cấp - là những hạt không thể chia nhỏ hơn được nữa, như electron hay photon; và hạt tổ hợp - là những hạt được cấu thành bởi các hạt khác, như proton và neutron, được cấu thành từ các hạt quark.

Tất cả các hạt quan sát được cho đến ngày này đều được mô tả đầy đủ trong một mục của thuyết trường lượng từ có tên là mô hình chuẩn. Mô hình này giới thiệu 47 thành phần hạt sơ cấp, cùng với dạng tổ hợp của nó, do đó số hạt được nghiên cứu trong vật lý hạt nên tới con số vài trăm.

Mặc dầu mô hình chuẩn được công nhận là đúng thông qua những thí nghiệm kiểm chứng hiện đại nhất ngày nay, tuy nhiên, nhiều nhà vật lý hạt vẫn cho rằng mô hình vẫn chưa hoàn thiện để có thể mô tả tự nhiên một cách trọn vẹn. Do vậy họ vẫn mong chờ để khám phá ra một lý thuyết mới, cơ bản hơn.

Hiện tại, các số liệu về khối lượng của neutrino là những bằng chứng thí nghiệm đầu tiên của sự không hoàn thiện trong mô hình chuẩn.

Vật lý hạt có một ảnh hưởng lớn tới triết học, một số lĩnh vực của nó vẫn trung thành với thuyết hoàn nguyên, một khái niệm cổ đã được phân tích bởi nhiều triết gia và nhà khoa học. Các cuộc tranh luận về nó vẫn kéo dài cho đến ngày nay.