早在20世纪初，爱因斯坦便开始思考宇宙空间和时间的本质属性，以及牛顿的运动定律和万有引力定律之间是如何互相作用和影响的。1902年，爱因斯坦在瑞士专利局担任初级专利审查员的职务。在认真和仔细的审查每个专利的时候，爱因斯坦开始对那些属于不同物理框架的、作为参照物的观察者进行思考。当一个人在移动，而另一个人静止的时候，为什么这两个人所看到的效果是一样的呢？
1905年，爱因斯坦向世人宣布他创立了狹义相对论。依照他的狹义相对论的观点，在假定所有观察者的运动是匀速而且是速度相同的前提下，适用于他们的物理定律是完全相同的。让我们设想一下：你现在刚刚坐上一列火车，然后就睡着了。当你醒来的时候，如果往窗外看，那么你将会看到旁边的另一列火车在缓慢地移动。在那种情况下，你无法判断究竟是自己所乘坐的火车启动了，还是另外一列正在运行。 根据狭义相对论的原理，你是无法找到到证据来证明究竟是你所乘坐的火车在动还是另外一列在动的。
所有的运动现象都是相对而言的。我们不可能通过测算物体运动情况的手段来判断分一列火车究竟是处于静止状态还是以匀速进行运动。实际上，这种狭义相对论使静止的概念失去了原有的意义。按照同样的理论，就任何一个观测者而言，对于光速的测量结果肯定会是一模一样的，而不论观测者本身相对于光源做何种形式的运动。
对于在较短距高范围内做低速运动的物体而言，爱因斯坦的理论得出了与牛顿运动定律同样的预测结果。只有在对处于相当高速(接近光速）的运动状态，而且进行远距离运动的物体进行解释时，这两种理论才会得出不同的预测结果。牛顿的理论将空间和时间这两个问题分开来进行处理，但是却将运动和万有引力统一了起来。爱因斯坦的理论(指狭义相对论）则将三维空间和属于第四维的时间统一在一起。
爱因斯坦的狭义相对论还得出了一个把能量、质量，以及光速联系在一起的公式，即 E=mc^2。在这个公式当中，E代表能量，其测量单位为焦耳;m代表质量，单位为千克;c代表光速，单位为米/秒。根据这一公式，宇宙中所有物质都是一种能量形式，而且所有能量都有质量。
阿尔伯特·爱因斯坦最著名的不仅是他辉煌的科学理论，还有他的幽默感。
1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。这一新的相对论解决了处于加速状态下的这一新情形，并对万有引力做出了新的描述和定义。它对牛顿将万有引力概念描述一种互相吸引的作用力提出了质疑，并提出了另一种定义方法，即引力可以使时空发生弯曲。这种弯曲的现象统治着宇宙空间中所有物体的自然运动。
先将整个时空想象成一个铺在某个框架内的橡胶板，然后在这片橡胶板的中心位置放上一个保龄球，再将时空橡胶板折弯、拉紧再弯曲，使之可以包住整个保龄球。
再想象一下将一个高尔夫球放在这块橡胶板外的层面上，沿一条直线方向滚动的情形。如果滚动的速度足够快，那么这个高尔夫球可能会挣脱保龄球对他的吸引作用。如果球速较慢，这个高尔夫球则一直在围绕这个保龄球滚动，当然这是因为受到了其所产生的约束。如果高尔夫球的速度介于两者之间，则可能会对这个保龄球形成弹弓效应，并以与原有运动路线形成90度角（或者其他介乎其间的角度）的轨道继续运行。就是说，物质使时空变弯曲，但是时空决定了物质的运动方式。
爱因斯坦做出了如下的推测：一个遥远的恒星所发出的光会在其经过太阳这个庞大球体的时候发生弯曲。天体物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士决定要证明这一推测。1919年5月19日在西非地区发生了一次日全食现象。在太阳逐渐变暗的过程中，所有的恒星都进入了人们的视线。爱丁顿将在太阳侧翼的所有恒星迅速拍摄下来。接着他对这些图像进行了仔细的观察，并对每颗恒星的位置进行了测量，而所有这些都是为了找到哪怕是一弧秒的位置变化。为了得出有用的结果，盾需要一张既包括离太阳较近的恒星，也包括离太阳较远的恒星的图。他的运气非常好：那次日全食所发生的天空区域正好可以看到遥远的毕宿星团。在爱丁顿提起这件事的时候，他说：“那是到那个时候为止所能遇到的最好不过的星域了。”如果不是这样，可能还需要数年的时才能证明爱因斯坦的推论是正确的。
爱因斯坦的广义相对论恰好能够在他计算水星轨道的细小偏差时派上用场。约翰内斯·开普勒只知道水星的运转轨道是椭圆形的，但是他并没有猜想过天体轨道的轴心也会发生一种轻微到不易察觉的小幅度运动，即“地轴进动”。天文学家早就发现水星球体的轨道运行速度要比依照牛顿定律所预测的快一些。
爱因斯坦解决了这个问题，他所使用的方法就是计算出太阳质量对于水晶球体所在区域产生的曲化结果值，并计算出水星通过该区域的精确轨道。爱因斯坦发现，水星球体因为时空弯曲而发生了向前滑动的现象。我们现在知道，其实所有的球体（如金星、地球和小行星伊卡鲁斯等）都会因为在接近太阳时生时空弯曲而发生向前滑行的现象。爱因斯坦的广义相对论的另外一个推论就是万有引力波（或重力波）。爱因斯坦推断说，以光速发射出来的万有引力在发生作用时是极其微弱的，轻如波浪般的推动。万有引力在时空结构中亦犹如波浪般波动着，他会在物质开始加速、震荡或剧烈颠簸的时候产生一种波纹。作为自然界最为微弱的力量之一，唯一能被探测到的万有引力波就是那些由极度庞大的球体所引发的那种，如巨型中子星、黑洞和超新星等近双子星星系。
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