這是中國古代物理學發展的鼎盛時期。
宋代是我國封建專制主義大發展的時期，社會經濟有顯著進步，尤其在農業、手工業、冶金、武器製造、紡織業、陶瓷和國內外貿易方面較前都有所發展，行會制度盛行，城市經濟繁榮，紙幣及匯兌流行，這一切都促使科學技術有較大的提高。元代基本上仍維持宋代水平。
宋元時代，包含了豐富的物理學內容的五本巨著相繼問世，它們是：沈括(公元1031—1095年)的《夢溪筆談》、蘇頌(公元1020—1101年)的《新儀像法要》、曾公亮(公元999—1078年)的《武經總要》、李誡(公元1035—1110年)的《營造法式》、趙友欽(宋末元初人)的《革像新書》。此外，《宋史》中的“天文志·儀象”、“律曆志”、“儀衛志·政和大駕”、“輿服志·指南車、記裡鼓車”等篇章，都是極有價值的科學著作。
宋元時代還有許多在當時屬於世界一流的有關物理學方面的發明創造。
力學方面，《宋史·輿服志》詳細記載了燕肅(公元960—1040年)等人製造的指南車、記裡鼓車。指南車是一種指示方向的機械車；記裡鼓車是能夠記錄車輛運行路程長短的機械車。根據史書留下的有關記載，不僅表明古代人嫻熟地掌握了有關齒輪及其匹配法則的力學知識，而且今天還可以照書本複原製造。蘇頌和韓公廉等人在1092年製造了一架大型的水運儀像台，即天文鐘。它是現代鐘錶的祖先，也表明宋代人完全掌握了控制等速運動的技術方法。李誡在《營造法式》中系統地總結了歷代建築經驗，特別是提出了橫樑的高與其寬之比的規律，比西方材料力學中同樣的公式要早400年到600年。曾公亮在《武經總要》中記述了在兩山之間引水過山，建造大型虹吸管的方法。宋僧懷丙(生卒年不詳)在1066年利用類似現代起重浮艇的原理打撈沉落江中的萬斤鐵牛。此外，液體比重計和表面張力儀也是這一時代的發明。
熱學方面，宋代人發明了火藥、火柴，以及以火藥為燃料而噴射推進的火箭，還發明了水套式省油燈。在煮水泡茶的生活實踐中，人們還發現了水的遞次沸騰現象。關於熱脹冷縮的原理在實踐中也得到了廣泛應用。
光學方面，沈括的《夢溪筆談》對日食、月食、雨虹的成因作了理論性總結。沈括還發現了陽燧的焦點，對凹面鏡成像原理作了正確的敘述，並探討了“透光鏡”反射成像的原因和“紅光驗屍”的光學道理。趙友欽在《革像新書》中描述了一個大型的有關小孔成像的實驗，並得出了正確的結論。他的實驗室是一個三層樓房，光源是上千支蠟燭，這是中世紀時期最大型的光學實驗。此外，關於色散知識也有大量記載，幻燈、影戲、以磷光物質作畫等方面皆有長足的進步。
聲學方面，沈括不僅在理論上闡述了編鐘的形狀與其發音的關係，而且還創造了以“紙人”演示共振現象的實驗方法。南宋初年，趙希鵠在其著《洞天清錄集》中對建築聲學作了最早的探討，提出了設計琴室的一些標準。
電和磁學方面，指南針的發明及其在航海中的運用，地磁偏角的發現和記載，以及對雷電性質的觀察研究，都是這一時期的重大成就。