Ne postoji “teorija relativnosti” – samo dvije teorije koje povremeno potpadaju pod isti naziv – specijalna teorija relativnosti i teorija opće relativnosti. Obje je osmislio poznati fizičar Albert Einstein između 1905. i 1915. Obje su te teorije preokrenule Newtonovu klasičnu mehaniku, koja se držala stoljećima prije.
Posebna teorija relativnosti je teorija strukture prostor-vremena, koja tvrdi da su 1) zakoni fizike isti za sve promatrače koji se ravnomjerno gibaju jedan u odnosu na druge i 2) da je brzina svjetlosti u vakuumu ista za svi promatrači, bez obzira na njihovo gibanje gibanja izvora svjetlosti. To dovodi do bizarnih posljedica. Na primjer, zamislite da se krećete na vlaku koji ide 100 mph pored drugog vlaka koji se kreće u istom smjeru brzinom od 100 mph. Iz vaše perspektive, vlak pored vas izgleda gotovo mirno. Ali zamislite da ste u vlaku koji se kreće brzinom svjetlosti, dok ste pored svjetlosnog snopa. Umjesto da svjetlosna zraka izgleda kao da miruje, ona se kreće ispred vas brzinom svjetlosti. Svjetlost je na taj način čudna.
Nekoliko posljedica koje proizlaze iz specijalne teorije relativnosti su 1) dilatacija vremena (satovi koji se kreću blizu brzine svjetlosti rade sporije od stacionarnih satova), 2) kontrakcija duljine (objekti koji se kreću blizu brzine svjetlosti izgleda da se skupljaju u smjer kretanja), 3) relativnost simultanosti (stvari koje se pojavljuju u isto vrijeme nepokretnom promatraču A mogu se činiti da se događaju u različito vrijeme pokretnom promatraču B), 4) ekvivalentnost mase i energije (masa i energija su u suštini ista stvar i jedno u drugo pretvorno).
Opća teorija relativnosti, koja je nastala nekoliko godina nakon posebne teorije relativnosti, teorija je kako gravitacija djeluje. U početku se temeljio na principu ekvivalencije, ideji da su ubrzanje i mirovanje u gravitacijskom polju određene snage fizički identični. Budući da nije potrebna posebna sila za stvaranje inercijskih učinaka u objektu koji se ubrzava, Einstein je predložio da bismo trebali razmišljati na isti način o gravitaciji, napuštajući klasični pojam gravitacijske sile i umjesto toga shvaćajući gravitaciju kao krivulje u prostor-vremenu. To objašnjava fenomene poput zašto se svjetlost savija u prisutnosti gravitacijskog polja iako joj nedostaje masa.
Opća teorija relativnosti daje objašnjenja i predviđanja koja bi se u svjetonazoru klasične mehanike činila smiješnima. Osim savijanja svjetlosti u prisutnosti gravitacijskog polja, predviđa da vrijeme ide sporije u prisutnosti gravitacijskog polja, planetarne orbite precesiraju (promijene) zbog zakretnog momenta koji djeluje Sunčevo gravitacijsko polje, dolazi do povlačenja okvira, pri čemu dolazi do masivnog rotirajuća tijela sa sobom “vuku” inercijski okvir okolnog prostor-vremena i da se svemir širi, u nekim slučajevima brže od brzine svjetlosti, jer se širi sam prostor, a ne objekti u njemu.
Razotkrivanje implikacija ovih teorija trajalo je desetljećima, a traje i danas. Einsteinove teorije bile su toliko usmjerene prema budućnosti da su bila potrebna desetljeća da se testiraju i potvrde s velikom preciznošću. Gledajući unatrag, Einsteinove ideje bile su gotovo u potpunosti potvrđene.