Théorie élaborée par Albert Einstein et qui, avec la mécanique quantique, allait révolutionner la physique du XXe siècle.
Relativité restreinte : c’est en 1905 que Einstein formule sa théorie de la relativité restreinte. Il y abolit les notions de mouvement et de repère absolus, et affirme que les lois de la physique ont la même forme dans tous les repères (ou référentiels) qui se meuvent à vitesse constante les uns par rapport aux autres. Il n’est pas le premier à affirmer que la lumière se propage à vitesse finie (et notée c), mais le premier à proclamer le caractère indépassable de cette vitesse. En outre, il affirme que la lumière se propage à cette vitesse c quel que soit le mouvement de celui qui l’observe. Ceci va remettre en cause la notion de temps absolu et obliger à repenser l’espace en y adjoignant une quatrième dimension : le temps. Ainsi naît l’espace-temps.
En astronomie, le fait que la lumière se propage à vitesse finie explique pourquoi la lumière du Soleil met 8 minutes à nous parvenir sur Terre. De même, il explique pourquoi voir loin dans l’Univers, c’est voir loin dans le passé. Si la lumière d’une galaxie, par exemple, voyageait à vitesse infinie - autrement dit si elle nous arrivait instantanément -, nous verrions cette galaxie en l’état où elle est effectivement à présent. Mais parce que la lumière voyage à 300 000 km par seconde “ seulement ”, plus elle vient de loin et plus elle a été émise tôt dans le passé de l’Univers. Toujours dans le même ordre d’idées, certaines étoiles que nous voyons scintiller dans le ciel n’existent peut-être plus à l’heure actuelle. Elles ont pu exploser en supernovae voilà quelques dizaines ou centaines d’années, sans que le flash lumineux de l’explosion nous soit encore parvenu.
Relativité générale : en 1915, Einstein formule sa théorie de la relativité générale. Celle-ci s’attaque à la nature même de la matière, de l’espace et du temps, et modifie totalement le statut de la gravitation. Einstein affirme notamment que l’espace-temps est absolument indissociable de la matière qu’il contient. En particulier, toute masse déforme l’espace-temps autour d’elle - comme une orange déformerait le coussin où elle serait posée -, la gravitation devenant alors une propriété de cet espace courbé par les masses qu’il renferme.
En 1916, Einstein prédit également qu’un système de deux masses qui évolue au cours du temps perd de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles se propageant à la vitesse de la lumière.
En 1917, il réinterprète l’Univers à la lumière de sa nouvelle théorie. Assez vite, il apparaîtra que l’Univers qui sort de ses équations est en évolution, qu’il a un début, une histoire et une fin. Ce sera le coup d’envoi de la théorie du big bang. 
Dans les années 60, les astronomes commenceront à découvrir dans le ciel des objets étranges dont le comportement ne pourra s’expliquer qu’en faisant appel à la relativité générale. En 1974, la découverte du premier pulsar binaire (deux étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre) fournira un test qui fera beaucoup pour asseoir la théorie : en analysant le mouvement du système, les astronomes pourront pour la première fois prouver de manière indirecte qu’il perd bien de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Aujourd’hui, les trous noirs et les lentilles gravitationnelles sont eux aussi de dignes rejetons de la relativité générale.