马赫质疑伽利略相对论和狭义相对论中惯性系的优越性，他明确排斥旋转的绝对性。 他认为惯性系不是先验的，它必然和宇宙中的物质整体共动。爱因斯坦的广义相对论极大地发展了这个思想。爱因斯坦认为，万有引力应该被体现为时空的弯曲，正是物质的分布使时空弯曲，而自由粒子在弯曲时空中沿着最接近直线的所谓测地线运动。

爱因斯坦把广义相对论应用于整个宇宙标志着现代宇宙学的诞生。为了在广义相对论中得到一个静态的宇宙解，他在自己的场方程中引进一种反引力，即所谓的宇宙常数，因而无意间错过了一桩极其重要的预言：宇宙正在膨胀。

1929年，哈勃发表了红移定律：星系正在飞离我们而去，其速度与它和我们之间的距离成正比。宇宙学家一致认为，不是星系在飞离，而是携带星系的空间正在膨胀。这样，如果在时间上回溯，宇宙在过去的某一时期应该处于一个极其紧致的极热的相，这个相就是后来称为大爆炸的场景。现在我们知道，大爆炸发生在138亿年之前。膨胀宇宙的时空背景由弗里德曼在1922年发现的度规来描述。

1948年，伽莫夫等研究了大爆炸场景中的太初核合成。他认为，早期的宇宙具有极大的物质密度和极高的温度。在大爆炸后的几秒钟，宇宙的物质由电子、质子、中子和它们的反粒子以及辐射组成，在更早的时刻则完全由基本粒子组成。