La mesure physique est l'estimation ou la détermination d'une dimension spécifique (longueur, capacité, etc.), habituellement en relation avec un étalon (ou standard en anglais) ou une unité de mesure. Le résultat de la mesure physique s'exprime en termes de multiple de l'étalon (un nombre réel multipliant l'unité). On pourra citer comme exemple la mesure de distances (kilomètres, miles, lieues) ou la mesure du temps (secondes, heures). Le processus de mesure physique implique l'estimation ou la détermination du rapport de la grandeur d'une quantité à celle d'une unité de même type (i.e. longueur, temps, masse, etc.). Une mesure physique est le résultat d'un tel processus, exprimé comme le produit d'un nombre réel et d'une unité, dans lequel le réel est le rapport estimé. À la différence d'un compte, c'est-à-dire une quantité entière d'objets connue de manière exacte, chaque mesure physique est en réalité une estimation et possède donc une certaine incertitude.
En sciences naturelles, l'acte de mesurer un objet implique de comparer une caractéristique de l'objet avec une unité-étalon en utilisant un instrument dédié dans des conditions contrôlées. On pourra citer comme exemples d'instruments de mesure le thermomètre, le voltmètre, le tachymètre, le dynamomètre, etc.. Afin d'effectuer une mesure physique avec précision, les instruments de mesure doivent être construits avec précaution et correctement étalonnés. Cependant, chaque mesure possède une incertitude associée, estimateur de la qualité de la mesure. Ceci signifie que, bien qu'une mesure soit donnée de manière usuelle par un nombre suivi d'une unité, elle possède en réalité trois composantes : l'estimation, l'incertitude et la probabilité que la mesure soit comprise dans un intervalle donné. Par exemple, la mesure de la longueur d'une planche peut donner 9 mètres plus ou moins 0,01 mètre, avec une probabilité de 0,95. Autrement dit, si l'on procède 100 fois à la mesure de cette longueur, environ 95 fois on trouvera une valeur comprise entre 8,99 mètre et 9,01 mètre (on parle d'intervalle de confiance à 95%).
La mesure se distingue habituellement du comptage. Une mesure est un nombre réel et n'est jamais exact. Un compte (ou dénombrement) est un entier naturel et peut être exact. On peut par exemple dire qu'il y a douze œufs dans un carton en les dénombrant. Cependant, certains groupes ne peuvent être facilement dénombrés, et estimer leur nombre par une approche statistique peut être similaire à effectuer une mesure physique. Ainsi par exemple, l'estimation du nombre de malades lors d'une pandémie ou le dénombrement des étoiles appartenant à la Voie lactée possèdent des marges d'erreurs associées, et peuvent être considérées comme estimées plutôt que comme comptées de manière exacte.
La mesure physique est fondamentale dans la plupart des champs scientifiques (chimie, physique, biologie, etc.). La mesure physique est aussi essentielle à un grand nombre d'applications industrielles et commerciales allant de l'ingénierie à la production manufacturière, en passant par la production pharmaceutique ou l'électronique.
La métrologie est l'étude de la mesure physique. En général, une métrique est une échelle de mesure définie en termes d'étalon (ou standard), c'est-à-dire en termes d'unité clairement définie. La quantification d'un phénomène par le processus de mesure est basée sur l'existence implicite ou explicite d'une métrique, qui est le standard de référence des mesures.
Il est parfois plus judicieux de choisir une unité non-standard pour mesurer certaines grandeurs physique. Ce choix peut dépendre notamment de l'ordre de grandeur (il est plus aisé de compter les distances interstellaires en années-lumière, par exemple) ou de l'utilisation que l'on veut en faire. Donner deux grandeurs dans la même unité permet de comparer, et cela facilite l'interprétation des données, même si ça implique de donner un résultat dans une unité qui ne correspond pas à sa dimension.
Un exemple : la température se mesure d'ordinaire en kelvins ou en degrés Celsius. Mais supposons que l'on parle d'énergies de liaisons atomiques : il est plus utile de savoir que la température ambiante est de l'ordre de 40 meV (voir l'article électron-volt pour la manière de convertir les unités de température en unités d'énergie), pour ensuite la comparer (et c'est là l'important) avec l'énergie de liaison et ainsi déduire la stabilité de la molécule à température ambiante. Bien que l'électron-volt soit une unité d'énergie, dans ce contexte l'utiliser pour donner une température a du sens.
La mesure physique n'est pas limitée aux quantités et relations physiques, et peut être étendue à la quantification d'intensités de tous ordres. Dans les sciences sociales, ainsi que dans d'autres champs de recherche comme la santé, la biologie et les études de marché, des modèles probabilistes comme le modèle de Rasch pour les mesures sont appliqués avec, pour instruments de mesure, des questionnaires et enquêtes et qui permettent les comparaisons entre personnes.