Relativna brzina odnosi se na brzinu i smjer objekta u odnosu na neku drugu referencu. Ne postoji standardna referenca za relativnu brzinu; međutim, neke reference, kao što je tlo, mnogo su prikladnije od drugih. Zbog ovog principa, moguće je opisati isti objekt kao da ima više različitih brzina, svaka s različitim referentnim okvirom. Međutim, brzina svjetlosti nije relativna brzina u tom smislu.
Tipično, sve brzine moraju biti relativne u odnosu na neki inercijski referentni okvir. Svaki referentni okvir u prostoru koji se ne ubrzava jednako je prikladan. Površina Zemlje je dobra aproksimacija za inercijski referentni okvir kada uključene udaljenosti nisu prevelike. To je zato što se čini da su male površine ravne i nepokretne; odnosno čini se da objekti miruju kada se kreću istom brzinom kao i tlo. Kada udaljenosti postanu prevelike, više nema smisla davati brzine u odnosu na tlo – zbog Zemljine rotacije, različiti dijelovi globusa kreću se u različitim smjerovima.
Na primjer, podrazumijeva se da je brzina od 70 milja (112.7 km) na sat na autocesti u odnosu na “stacionarno” tlo. To je zato što se površina Zemlje okreće oko svoje jezgre, a Zemlja putuje oko Sunca. Sam Sunčev sustav se okreće oko središta galaksije Mliječne staze i tako dalje. Stoga je brzina korisna samo kada je u odnosu na neki referentni okvir. Ograničenje brzine na autocesti zapravo je relativna granica brzine.
Danski astronom Ole Christensen Rømer prvi je izmjerio brzinu svjetlosti 1676. Usporedio je vrijeme potrebno svjetlosti da putuje od Jupiterovog mjeseca Io kada je Zemlja bila na različitim udaljenostima od njega. Kad je Zemlja bila dalje od Jupitera, trebalo je osjetno dulje da svjetlost stigne. Međutim, Rømer ne zna, svjetlost se ne ponaša na isti način kao obična materija. Brzina svjetlosti, kao i svih elektromagnetskih zračenja, konstantna je bez obzira na to tko je promatra.
Godine 1905. njemački fizičar Albert Einstein predložio je teoriju da gibanje promatrača ne utječe na brzinu svjetlosti. Ovaj proboj poslužio je kao osnova za teoriju specijalne relativnosti. Njegove implikacije, iako nisu uobičajeno uočljive tijekom svakodnevnog života, dalekosežne su u području fizike. U biti, princip znači da brzina svjetlosti nije relativna brzina u prethodnom smislu. Umjesto toga, samo vrijeme ovisi o kretanju promatrača.