理论物理是华中师范大学的传统优势学科，2007年获“理论物理”国家重点学科。理论物理专业包含粒子物理、夸克物质物理、高能碰撞唯象学、统计物理与生物物理等研究方向，是华中师范大学粒子物理研究所和生物物理研究所的主要研究方向。
粒子物理与原子核物理专业包括粒子物理、相对论重离子碰撞物理、夸克物质物理、相对论重离子碰撞实验以及高能碰撞唯象学等研究方向，是华中师范大学粒子物理研究所的主要研究方向。
在华中师范大学粒子物理研究所理论物理专业和粒子物理与原子核物理专业相互渗透，协同发展，凝聚方向，形成了高能重离子碰撞实验、夸克物质理论以及高能碰撞唯象学这三个大的研究主题。华中师范大学生物物理研究所的理论物理专业主要研究主题为统计物理与生物物理。
（一）高能重离子碰撞实验
围绕大型高能重离子碰撞国际合作实验，立足国内，面向国际，开展高能重离子碰撞实验研究，研制高性能的粒子探测器、数据读出系统和探测器控制系统，研制探测器模拟、事例重建和数据分析软件，分析高能碰撞实验数据，研究QCD的相结构，探寻禁闭解除的夸克物质（夸克胶子等离子体QGP）形成的相关信号，研究其特性和新现象。
BNL/RHIC/STAR实验
BNL/RHIC，位于美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机，1999年开始运行。RHIC可以进行不同碰撞系统（金－金，铜－铜）和不同碰撞能量的对撞，其金－金对撞核子质心系能量从5 GeV至200 GeV。
STAR是RHIC上的一个大型实验，其装置像一个巨大的“数码相机”，可以为对撞产生中心快度区数以千计的带电粒子提供三维图像。近年来,我们利用RHIC上STAR组的实验数据，在各向异性流、逐事件关联起伏、重味物理、大横动量物理、强子谱等方面开展研究，发表STAR实验相关论文20余篇。主要研究人员有：许怒教授、刘峰教授、吴元芳教授、李治明副教授和施梳苏博士。
CERN/LHC/ALICE实验
大型强子对撞机（LHC）位于瑞士和法国交界的欧洲核子研究中心（CERN），于2009年开始正式投入实验运行，能够将质子束流加速到7 TeV，将铅核束流加速到每核子2.75 TeV，发生对撞，以探索若干基本的物理问题。大型重离子对撞机实验（ALICE）是LHC上致力于研究重离子碰撞产生的夸克物质性质的实验，由十几个高性能的子探测器组成，能全面探测在铅－铅对撞每核子对质心系能量高达5.5 TeV的碰撞中产生的光子、轻子和强子。
自1993年参加CERN/LHC的ALICE国际合作组以来，我们主要在光子谱仪(PHOS)及其读出系统、探测器模拟与事例重建、光子与喷注物理、重味与轻子物理等方面开展研究，发表ALICE实验相关论文近30篇，ALICE Internal Note 6篇。向ALICE国际合作组建议建造双喷注取样电磁量能器，建议已获ALICE合作组和LHCC批准，现进入探测器研制阶段。主要研究人员有：蔡勖教授、周代翠教授、黄光明教授、殷中宝副教授和王亚平副教授。
（二）夸克物质理论
夸克胶子等离子体是在夸克层次上的新物质形态，又称夸克物质。通过超高能重离子碰撞，将巨大的动能转化为热能，形成高温和高密的极端条件，核物质发生夸克禁闭解除相变，形成夸克物质。
研究夸克禁闭解除相变的物理机制，探索夸克物质形成的信号，分析夸克物质的特征和规律，是高能重离子物理学的重大前沿课题。
从上世纪80年代初，开始研究：夸克物质的相变机制，夸克物质的非平衡、非线性和非阿贝尔集体效应，夸克物质的硬探针信号，核环境中的微扰QCD理论，高密夸克物质的色超导相变等
夸克物质物理研究方向目前包括如下课题：夸克物质喷注淬火信号、夸克物质的色超导相变、夸克物质的耗散性质和集体效应、核环境中的微扰QCD理论、有限温度场论等以及重味物理和CP破坏等。主要方向和人员组成有：
夸克物质的硬探针信号
高能重核碰撞中硬过程产生的高能部分子穿出QGP介质时，会与介质中的部分子发生多重散射，而多重散射会诱发部分子喷注辐射胶子，这些辐射的胶子带走能量，使得高能部分子喷注的能量减少。这种现象通常形象地称为“喷注淬火”。
美国BNL上的RHIC实验证实了这种压低，因此喷注淬火现象被认为是当前高能重离子碰撞物理的最重要发现之一。我们用核环境中的微扰QCD为工具，在喷注淬火领域作出了一些重要成果。近几年来本研究方向已在发表论文100余篇，其中在Phys. Rev. Lett杂志发表论文10篇，相关结果被引用2000多次。主要研究人员有王新年教授、王恩科教授、张本威教授、张汉中教授。
色超导中的强耦合夸克物质研究
量子色动力学在高温和高密度下的相结构一直是理论物理学家和实验物理学家探讨的重要课题。本研究方向紧密围绕极端环境下QCD真空如何改变这一当代物理学中主要的理论挑战之一，系统研究了色超导和AdS/CFT中的强耦合夸克物质。近几年这方面的已发论文50多篇，其中Phys.Rev.Lett 2篇，论文被引用600余次。主要研究人员有李家荣教授、候德富教授、陈继胜教授和金猛副教授。
重味物理与CP破坏
多年来，重味物理与CP的研究一直是高能物理物理研究的前沿热点问题，是检验粒子物理标准模型以及新物理模型的味结构最有力的手段，也是BABAR, BELLE, LHCb，CDF和D0的物理目标。近年来，重味物理实验取得了非常显著的进展。我们紧密围绕这些实验进展，在QCD因子化、新物理探索等方面开展了系列研究。研究结果被同行引用800余次，其中BABAR等国际合作组引用80余次。主要研究人员有杨亚东教授、陈绍龙教授。
（三）高能碰撞唯象学
研究强子相和QGP相之间的相变过程及其临界点物理，研究强子的产生机制，寻找临界点的可观测信号，为在实验上发现临界点，研究相变和临界点物理作出贡献。特点是理论与实验研究紧密结合。
末态粒子的涨落与关联
我们率先指出，高能强子-强子碰撞有各向异性的自仿射分形。这一预言在Phys. Rev. Lett.上登出，得到CERN实验的证实，使高能分形的研究走出困境。理论研究表明，夸克胶子等离子体QGP 相变将伴随大的能量密度起伏。我们首次分析了起伏对事件多重数和单事件平均横动量的依赖性。结果发表在Phys.Rev.Lett.上，被审稿人评价为“高度重要”，“非常有用”。本研究方向在Phys. Rev. Lett.上发表研究论文3篇。主要研究人员：吴元芳教授、付菁华教授
QGP的强子化机制
由QGP向普通核物质的相变过程，即强子的产生机制，是连接理论上可以计算的夸克胶子相互作用与实验上可以观测的末态粒子的必要纽带，是理论和实验研究中关键中的关键。传统的弦模型和部分子碎裂模型都不能解释RHIC金－金碰撞中实验观测到的质子与p介子的反常比值、粒子谱的碰撞中心度依赖性、椭圆流的组分夸克数目标度率等新奇现象。我们提出的夸克重组合模型不仅解释了实验数据，还给出了部分子碎裂模型的物理图像和Cronin效应的新机制。本研究方向在Phys. Rev. Lett.上发表研究论文3篇，Phys. Rev. C上发表论文20余篇，被他人引用1000多次。主要研究人员：杨纯斌教授、周代梅副教授
QGP形成机制与光子触发喷注
强子相与夸克胶子等离子体相之间的平滑过渡可以通过成团的机制来实现，即多个强子形成分子型聚集结构。在团内，颜色可以随意流动，团外是颜色不能到达的区域。随着团的长大，直到无穷大团形成，新相——QGP相出现。平滑过渡结束后形成的葡萄状夸克物质是强耦合夸克物质的一种形态。这是描述QCD平滑相变的一种新机制。相关研究论文发表在Phys. Rev. Lett.上。
通过研究高能碰撞中硬过程产物和软过程产物的关联，寻求强子和部分子之间的变化机制；基于统计模型、弦模型、流体模型的强子产生和光子产生等，特别是高能光子触发的喷注。本研究方向在Phys. Rev. Lett.上发表研究论文2篇。主要研究人员：刘复明教授、许明梅副教授。
（四）统计物理与生物物理
非线性随机动力学理论
将随机力（涨落、噪声）作为一个专门的对象，研究随机力的性质及其对各类宏观系统的影响，成为现代统计物理理论的一个重要前沿。在一定的非线性条件下，噪声可能对系统的演化起决定性作用。揭示非线性系统中噪声性质及其产生的各种重要影响，研究这些影响产生的物理机制、条件、可能的应用，具有十分重要的意义。我们考虑噪声之间的各种关联和相互作用,分别建立了噪声具有各种相互作用下非线性系统的随机动力学理论,从理论上给出随机系统所满足的Fokker-Planck方程、平均首通时间公式、信噪比公式等。首次发现了噪声关联诱导的若干新物理现象：噪声关联产生鲁棒性并被后来的实验所证实、诱导的Reentrance新相变、信噪比强烈依赖于系统的初始条件、双随机共振。发现并修正了原有激光系统随机理论的不足，提出了新的理论公式，从而极大地改进了理论结果与实验结果的一致性。相关研究论文发表在Phys. Rev. Lett.等上。
生物物理
生物物理是应用物理学的概念、理论和方法研究生命现象中的物理过程和物理规律的一门科学。我们提出了一种描述基因表达调控过程中的随机动力学方法，发现了转录因子的降解反应率和合成反应率的涨落诱导的基因开关现象。发现了生物钟基因表达调控网络随机涨落诱导节律振荡。发现了由于细胞之间的相互藕合，导致不同细胞的随机钙离子振荡产生了相同步和相干共振现象。建立起老鼠肝细胞钙信号振动机制及网络动力学理论模型，从理论上揭示出老鼠肝细胞胞液钙离子信号系统的传递机制。理论结果与已有的实验结果相吻合，同时，从理论给出了一些生物学的预言。提出了胰腺β细胞中葡萄糖浓度和IP3浓度对动作电位的调控机制模型，对系统的各种生物参数对细胞动作电位的影响进行讨论。其中一些工作被Nature的Review和Science STKE的Perspective文章引用。统计物理与生物物理方向的主要研究人员：贾亚教授，詹璇副教授。