Relativité générale

À partir de 1907, il s’attache à décrire la gravitation, à partir de l’idée  simple selon laquelle une personne en chute libre ne sent plus son poids.C'est en 1915, qu'il va formuler la théorie de la relativité générale, dans laquelle il décrit l'influence de la présence de matière et, plus généralement d'énergie, sur le mouvement des astres en tenant compte des principes de la relativité restreinte. La relativité générale englobe et supplante la théorie de la gravitation universelle d'Isaac Newton qui en représente la limite aux petites vitesses (comparées à la vitesse de la lumière) et aux champs gravitationnels faibles. 

Elle apporte une nouvelle conception de l'espace et du temps, dans laquelle la gravitation devient une propriété géométrique de l'espace-temps (qui possède une structure d'espace riemannien). En d'autres termes, la géométrie de l'espace-temps dépend de la distribution des masses et, du fait de l'équivalence masse-énergie, des flux d'énergie.

Les premières tests expérimentaux de la relativité générale datent du début des années 1920 (courbure des rayons lumineux par un champ de gravitation testée près du Soleil, précession du périhélie de Mercure), mais la théorie a passé aujourd'hui de nombreux autres tests avec succès, l'un des plus précis étant la preuve de l'existence des ondes gravitationnelles (prévues par la relativité générale) grâce à l'observation minutieuse de l'évolution d'un pulsar binaire par Taylor et Hulse (Prix Nobel 1993).

Parmi les conséquences les plus célèbres de la relativité générale, sont: l'existence des trous noirs, l'expansion de l'Univers, le décalage gravitationnel vers le rouge, le périhélie de Mercure, la déviation des rayons lumineux, les troux de ver, etc.