Ломоносов внёс огромный вклад в развитие физической науки в России. Ко времени, когда жил и творил Ломоносов, физика уже представляла собой относительно развитую науку со своими теоретическими и экспериментальными особенностями, установленными многими поколениями исследователей.

В XVII-XVIII вв. учёные-физики причисляли тепло и свет к числу каких-то неощутимых невесомых жидкостей, будто бы находящихся в порах материальных тел или, наоборот, отсутствующих в них. Первый ощутимый удар по этой теории был нанесён атомно-кинетической концепцией строения вещества и законом сохранения материи и движения, установленными Ломоносовым.

Ломоносов всегда отрицательно относился к утверждению о существовании особого невесомого тёплого вещества, способного переливаться из одного тела в другое, определяя степень его нагревания или охлаждения. В окончательной редакции своего труда "Размышления о причине теплоты и холода" (1749) Ломоносов писал: "В наше время причина теплоты приписывается особой материи, которую большинство называет теплотворной, другие — эфиром, а некоторые — элементарным огнём. Это мнение в умах многих пустило такие глубокие корни и настолько укрепилось, что повсюду приходится читать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы привлекаемой каким-то приворотным зельем; или, наоборот, о бурном выходе её из пор, как бы объятой ужасом. Поэтому мы считаем нашей обязанностью подвергнуть эту гипотезу прверке". Пользуясь достижениями современной ему теоретической и экспериментальной физики, Ломоносов поставил своей целью дать подлинно научное определение теплоты, доказать несостоятельность утверждения о существовании невесомой тепловой материи.

Объяснение причин теплоты явлением движения мельчайших частиц материи встречается уже в ранних произведениях Ломоносова начиная с 1742г. Ломоносов писал: "Не следует выдумывать много разных причин там, где достаточно одной; таким образом, раз центрального движения корпускул достаточно для обяснения теплоты, так как оно может увеличиваться до бесконечности, то не следует придумывать другие причины".

В работе Ломоносова "Опыт теории о нечувствительных частицах тел и вообще о причинах частных качеств", написнной в начале 40-х годов, излагались впервые основы кинетической теории тепла. "Теплота тел состоит во внутреннем их движении", — писал учёный. И далее он пояснял: "Внутреннее движение как величина может увеличиваться и уменьшатся, почему разные степени теплоты определяются скоростью движения собственной материи... Для произведения любой степени теплоты достаточна та или иная скорость движения материи. Теплота тел состоит во вращательном движении монад собственной материи".

Наиболее полное изложение теория теплового движения частиц материи получила в уже упоминавшейся работе Ломоносова "Размышления о природе теплоты и холода". Рассматривая различные формы движения материи и её мельчайших частиц, Ломоносов делил и хна три вида: поступательное движение, колебательное и коловратное (вращательное). Тепловое движение частиц материи он относил к категории вращательного движения. "Теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи", — утверждал учёный.

В работах о причине теплоты Ломоносов рассматривал весьма важный вопрос о границах скоростей теплового движения мельчайших частиц материи. Он не ограничивал максимальную скорость этого движения, однако нижним пределом считал полное отсутствие теплового движения в материи. По мнению учёного, "нельзя представить себе такую большую скорость движения, чтобы мысленно нельзя было представить себе другую, ещё большую. Это по справедливости относится, конечно, и к теплотворному движению, поэтому невозможна высшая и последняя степень теплоты как движения. Наоборот, то же самое движение может настолько уменьшиться, что тело достигает наконец состояния совершенного покоя и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая и последняя ступень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц".

Таким образом Ломоносов высказал мысль о существовании абсолютного нуля, т. е. температуры, при которой полностью прекращается тепловое движение частиц материи. Однако, подчёркивал он, высшей степени холода на земном шаре нигде не существует, "всё, что нам кажется холодным, лишь менее тёпло, чем наши органы чувств. Так, самая холодная вода ещё тепла, так как лёд, в который вода замёрзает на более сильном морозе, холоднее её, т. е. менее тёпел". Молекулярно-кинетическую теорию теплоты Ломоносов распространил также и на внеземные объекты, объяснив на её основе процесс предачи тепла от Солнца на Землю.

Таким образом, Ломоносов заложил первые камни в основании науки о теплоте. Однако понадобилось почти целое столетие, чтобы идеи Ломоносова были приняты официальной наукой и получили дальнейшее развитие.

Одновременно с разработкой молекулярно-кинетической теории теплоты Ломоносов создавал основы молекулярно-кинетической теории газов, прежде всего воздуха. 2 сентября 1748г. Ломоносов представил Академическому собранию специальную диссертацию "Опыт теории упругости воздуха", в которой доказывал, что давление воздуха объясняется не какой-то особой "расширительной силой", а движением частиц самого воздуха, имеющих форму шариков с шероховатой поверхностью. 30 сентября 1748г. в Академическом собрании с замечаниями по поводу диссертации Ломоносова выступил академик Г. В. Рихман. Он высказал мнение, что диссертация Ломоносова не объясняет, почему упругость воздуха пропорциональна его плотности. Замечания известного физика заставило Ломоносова осуществить серию опытов по проверке закона Бойля. Ломоносов писал, что в его диссертации об упругости воздуха "не хватает объяснения очень известного закона, а именно, что упругость воздуха пропорциональна плотности". Ломоносов решил отказаться от объяснений, т. .к сомневался, "приложим ли этот закон к любому сжатию воздуха... соображения, в силу которых упомянутый закон расходится с моей теорией, затруднительно изложить вне связи со всем моим трудом. Поэтому я теперь готовлю по этому вопросу дополнение к рассуждению об упругости воздуха". Вскоре "Прибавление к размышлениям об упругости" было готово и направлено в Академическое собрание.

В этих работах Ломоносов впервые сформулировал основы молукулярно-кинетической теории газов, показал, что при очень больших давлениях упругость газа отступает от закона Бойля.

В своих физических исследованиях Ломоносов уделял большое внимание изучению и объяснению световых явлений, а также теории цветообразования.

Рассматривая гипотезы о сущности явлений света и цветообразования, Ломоносов отдавал предпочтение взглядам Декарта. Подобно Декарту, Ломоносов считал, что мировое пространство, в котором происходят световые явления, заполнены эфиром. Световые явления осуществляются посредством движения мельчайших частичек эфира, говорил Ломоносов. Однако частицы эфира, как и корпускулы всех других тел материального мира, могут иметь движение трёх видов: поступательное, вращательное и колебательное. Какое же из них способно возбуждать и передавать поток света?

В "Слове о происхождении света" Ломоносов утверждал, что в эфире могут существовать независимо друг от друга тепловые и световые явления. Значит, они возбуждаются разными видами движения его частичек. Тепло распространяется вращательным движением, а свет — колебательным. Кроме того, учёный выдвинул гипотезу о наличие в эфире трёх групп частиц, отличающихся по своим размерам. Каждая группа или род частиц определяет один из основных цветов: красный, жёлтый или голубой. "Прочие цвета рождаются от смешения первых".

Ломоносов впервые попытался установить связь между тепловыми, химическими, световыми и электрическими процессами, происходящими в природе. Все эти процессы сводились им к различным формам движения различных групп мельчайших частиц материи в материальной среде — эфире.

Наряду с исследованиями явлений теплоты и света Ломоносов уделял большое внимание изучению электрических явлений. В XVII-XVIII в. вопросы статического электричества были практически не изучены. Современники Ломоносова, изучавшие явления электричества, пользовались теми же методами, что и при исследовании тепловых процессов. Они и электричеством считали "невесомым флюидом", разновидностью какой-то мифической жидкости, переливающейся в электризуемое тело. Материалисту Ломоносову было чуждо представление о "невесомых жидкостях". Русский учёный объяснял электричество так же, как явления теплоты и света, движением мельчайших частичек эфира.

Ломоносову принадлежат несколько работ, посвящённых исследованию атмосферного и статического электричества. Первые исследования он начал вместе со своим другом академиком Г. В. Рихманом, трагически погибшим 26 июля 1753г. при изучении грозового разряда. 31 мая 1753г. Ломоносов писал И. И. Шувалову: "Без всякого чувствительного грому и молнии происходили от громовой машины сильные удары с ясными искрами и с треском, издалека слышным, что ещё нигде не примечено и с моею давною теориею о теплоте и с нынешнею об электрической силе весьма согласно...". По существу в этих строках изложено сообщение об открытии электрического поля в атмосфере.

Возникновение атмосферного электричества Ломоносов связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха, происходящими в результате различия давления и температур в верхних и нижних слоях атмосферы. Электрические заряды, вызывающие грозовые процессы, являются следствием трения частиц потоков воздуха. Учёный старался открыть закономерности возникновения электричества в атмосфере, чтобы потом использовать их в практике — "отвратить от храмин наших гром".

Изучая атмосферное электричество, Ломоносов обратил внимание на характер электрических разрядов, разделив их на три вида, отличающихся определёнными особенностями: "Первый в искре с треском, которая часто с излученою и, по разности материи, разного цвету примечена, особливо когда натуральная электрическая сила в металлический прут приведена была из облака. Второй род — шипящий и холодный пламень... без треску. Третий род — бледный и слабый свет, который в весьма редком воздухе или месте, воздуха отнюдь не имеющем, над ртутью в барометре показывается...". Соответствующие виды электрических разрядов Ломоносов наблюдал в природе. Явления молнии, сопровождаемые ударами грома, учёный называл первым родом электрического разряда. Ко второму он относил так называемые огни св. Эльма, появляющиеся иногда на острых концах возвышающихся над землёй и водой предметов: башен, скал, корабельных мачт. Третьим родом электрических разрядов Ломоносов считал вечерние зарницы и северные сияния, возникающие в сильно разреженных верхних слоях атмосферы.

Гибель Г. В. Рихмана привела к почти повсеместному прекращению исследований грозового разряда. Представители церкви и реакционеры от науки торжествовали, видя в случившимся божью кару. Однако не таким был Ломоносов. В 1753г. он писал: "Не думая, чтобы внезапным поражением нашего Рихмана натуру испытывающие умы устрашались и электрической силы в воздухе законы изведывать перестали; но паче уповаю, что всё своё рачение на то положат, с пристойною осторожностию, дабы открылось, коим образом здравие человеческое от оных смертоносных ударов могло быть покрыто".

В "Слове о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих" Ломоносов говорил об изыскании "способов, дабы громовые удары овращать или от них укрываться было можно". Поражаемость грозовым разрядом отдельных участков земной поверхности он связывал с состоянием атмосферы, прежде всего с её температурой и влажностью, а также с проводимостью земных пород. Остановившись на методах укрытия от грозы, учёный описывал два способа "отвращения" громовых ударов, которые "не без успеху, как кажется, употреблены быть могут Один состоит в выставленных и надлежащим образом подпёртых электрических стрелах, другой в потрясении воздуха. Первым электрическую громовую силу отводить в землю, вторым электрическое движение в воздухе приводить в замешательство и слабость".

Широкое развитие в середине XVIII в. экспериментальных исследований в области электричества стимулировало попытки теоретического обоснования электрических явлений. Над этим работали не только отдельные учёные, но и научные учреждения. Не стояла в стороне и Петербургская Академия Наук. В мае 1753г. по предложению Ломоносова была объявлена конкурсная задача по теории электричества — "сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную её теорию". Уведомление о конкурсе и его целях было подготовлено Ломоносовым. В нём отмечались некоторые недостатки существовавших теорий, в частности неоправданное смешение электричества с огнём., обращалось внимание на необходимость объяснения природы проводников и изоляторов, указывалось на возможность существования "тончайшей электрической материи", которая беспрепятственно "сквозь скважины тел ходит".

Ломоносов не участвовал в конкурсе. Однако он стремился на базе накопившихся экспериментальных данных обосновать теорию электрических явлений. Электрические явления, по мнению учёного, основываются на вращении частичек эфира. Эта теория в своей основе является кинетической. "Электрические явления, — писал Ломоносов, — притяжение, отталкивание, свет и огонь — состоят в движении. Движение не может быть возбуждено без другого двигающегося тела". В последующей работе Ломоносов объяснял механизм электризации стекла посредством трения: "Через трение стекла производится в эфире коловратное движение его частиц... От поверхности стекла простирается оное движение по удобным к тому особливо водяным или металлическим скважинам". Таким образом, электрические явления, подобно световым и тепловым, основоположник русской науки рассматривал как различные формы движения материальной субстанции — эфира.

Эфирная теория электричества, разработанная Ломоносовым, сыграла прогрессивную роль в развитии науки об электричестве. Труды Ломоносова в области физики явились крупным вкладом в эту важнейшую науку о природе. Они развивались и дополнялись учёными последующих лет и способствовали тому, что физика стала общепризнанным лидером естествознания.