Postoji prisan odnos između polja fizike čestica i kozmologije, što je ilustrovan dugim nizom fizičara koji rade u oba simultano: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne i mnogi drugi. Kozmologija proučava svemir i njegovu strukturu, dok je fizika čestica proučavanje osnovnih čestica kao što su kvarkovi i fotoni, najmanji poznati objekti. Iako se isprva mogu činiti nepovezanim koliko god sve može biti, kozmologija i fizika čestica zapravo su usko povezane.
Za razliku od složenih sustava na Zemlji, koji se mogu opisati pomoću objašnjenja više razine, a ne svojstava koja proizlaze iz najnižih razina, međugalaktički i kozmološki fenomeni su relativno jednostavniji. Na primjer, u ogromnim udaljenostima svemira, samo jedna od četiri sile prirode ima stvarni utjecaj: gravitacija. Iako su zvijezde i galaksije vrlo udaljene i mnogo puta veće od nas samih, imamo izuzetno točnu sliku o tome kako rade, izvedenu iz osnovnih fizikalnih zakona koji usmjeravaju njihove sastavne čestice.
Područje kozmologije koje je najtješnje povezano s fizikom čestica je proučavanje Velikog praska, gigantske eksplozije koja je stvorila svu tvar u svemiru i prostor-vrijeme od kojeg se sam svemir sastoji. Veliki prasak je započeo kao točka gotovo beskonačne gustoće i nula volumena: singularnost. Zatim se brzo proširio na veličinu atomske jezgre, gdje fizika čestica ulazi u igru. Da bismo razumjeli kako su najraniji trenuci Velikog praska utjecali na svemir kakav je danas, moramo koristiti ono što znamo o fizici čestica kako bismo stvorili uvjerljive kozmološke modele.
Jedna od motivacija za stvaranje sve snažnijih akceleratora čestica je provođenje eksperimenata koji simuliraju fizičke okolnosti što je ranije moguće u povijesti svemira, kada je sve bilo vrlo kompaktno i vruće. Kozmolozi moraju biti dobro upućeni u fiziku čestica kako bi dali značajan doprinos tom području.
Drugi ključ za razumijevanje odnosa između fizike čestica i kozmologije je proučavanje crnih rupa. Fizička svojstva crnih rupa relevantna su za dugoročnu budućnost kozmosa. Crne rupe su kolabirane zvijezde s takvom golemom gravitacijom da čak ni svjetlost ne može pobjeći iz njihovog zahvata. Neko vrijeme se smatralo da crne rupe ne emitiraju zračenje i da bi bile vječne, što je paradoks za fizičare. Ali Stephen Hawking teoretizirao je, na temelju uvida iz fizike čestica, da crne rupe doista emitiraju zračenje, koje je nakon toga nazvano Hawkingovo zračenje.
Fizika čestica također je vrlo relevantna za istraživanja tamne tvari, nevidljive materije čije je postojanje poznato zbog njezina gravitacijskog utjecaja na vidljivu tvar, te tamne energije, tajanstvene sile koja prožima svemir i uzrokuje ubrzanje njegovog širenja. To su središnja pitanja moderne kozmologije.