20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，扩展了伽利略相对性原理，不仅要求力学规律在不同惯性参考系（惯性系）中具有同样形式，而且要求其他物理规律在不同惯性系中也具有同样的形式。爱因斯坦还假定在不同惯性参考系中单程光速C是不变的。据此，不同惯性系的空间坐标和时间坐标之间不再遵从伽利略变换，而是遵从非齐次洛伦兹变换。根据这类变换，尺的长度和时间间隔（即钟的快慢）都不是不变的：高速运动的尺相对于静止的尺变短，高速运动的钟相对于静止的钟变慢。同时性也不再是不变的（或绝对的）：对某一个惯性系同时发生的两个事件，对另一高速运动的惯性系就不是同时发生的。在狭义相对论中，光速是不变量，因而时间–空间间隔（简称时空间隔）亦是不变量；一些惯性系之间，除了对应于时间平移和空间平移不变性的能量守恒和动量守恒之外，还存在时间–空间平移不变性；因而，存在能量–动量守恒律。根据这一守恒律，可导出爱因斯坦质量–能量关系式。这个关系在原子物理与原子核物理中极为基本。
狭义相对论否定了19世纪光以太的存在，电磁波是电磁场自身的波动。这样场就成为与实物有所不同的物质形式。同时，这也否定了牛顿的绝对空间和绝对时间，并通过光速不变原理把一维时间和三维空间联系起来，成为相互联系的四维时间–空间。H.闵可夫斯基首先发现了这一性质，因而称为闵可夫斯基时空。四维闵可夫斯基时空的几何是度规具有符号差的欧几里得几何，其不变群就是非齐次洛伦兹群。
狭义相对性原理要求所有的物理规律对于惯性系具有相同的形式。然而，把引力定律纳入这一要求并不符合观测事实。爱因斯坦进而提出描述引力作用的广义相对论，再一次变革了物理学的时间–空间观念。
按照广义相对论，如果考虑到物体之间的惯性力或引力相互作用，就不存在大范围的惯性系，只在任意时空点存在局部惯性系；不同时空点的局部惯性系之间，通过惯性力或引力相互联系。存在惯性力的时空仍然是平直的四维闵可夫斯基时空。存在引力场的时空，不再平直，是四维弯曲时空，其几何性质由度规具有符号差的四维黎曼几何描述。时空的弯曲程度由在其中物质（物体或场）及其运动的能量–动量张量，通过爱因斯坦引力场方程来确定。在广义相对论中，时间–空间不再仅仅是物体或场运动的“舞台”，弯曲时间–空间本身就是引力场。表征引力的时间–空间的性质与在其中运动的物体和场的性质是密切相关的。一方面，物体和场运动的能量–动量作为引力场的源，通过场方程确定引力场的强度，即时空的弯曲程度；另一方面，弯曲时空的几何性质也决定在其中运动的物体和场的运动性质。如太阳作为引力场的源，其质量使得太阳所在的时空发生弯曲，其弯曲程度表征太阳引力场的强度。最邻近太阳的水星的运动轨迹受的影响最大，经过太阳边缘的星光也会发生偏转，等等。广义相对论提出不久，天文观测就表明，广义相对论的理论计算与观测结果是一致的。然而，20世纪中后期的研究表明，在物理上可以实现的条件下，广义相对论的时间–空间必定存在难以接受的奇异性。在奇点处时间–空间亦即引力场完全失去意义，这是广义相对论在理论上存在问题的表现 。
