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了起来，成为相互联系的四维时间-空间。h闵科夫斯基首先发现了这一性质，因而称为闵科夫斯基时空。四维闵科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参考系具有相同的形式。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参照系，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科夫斯基时空。
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。
对于空间和时间的认识，一直与宇宙的认识密切相关。现代宇宙论以宇宙学原理和爱因斯坦引力场方程为基础。