Einstein contribua plus que tout autre à une vision moderne de la réalité physique. Sa théorie de la relativité est considérée comme un des sommets de la pensée.

En 1894, la famille d'Einstein se déplaça à Milan et Einstein décida officiellement d'abandonner sa nationalité allemande et devint suisse. En 1895, il échoua à un examen qui lui aurait permis d'accéder aux études d'ingénieur électricien à Zurich. Après avoir suivi les cours d'une école secondaire à Aarau, Einstein retourna (1896) au Polytechnicum de Zurich, et en 1900 réussit ses études de professeur de mathématiques et physique pour l'enseignement secondaire.

Il travailla au bureau des brevets à Berne de 1902 à 1909, et il y rédigea un nombre étonnant de publications de physique théorique, écrites pendant ses moments perdus sans contact avec la littérature scientifique. Einstein obtint un doctorat de l'université de Zurich en 1905. En 1908 il devint lecteur à l'université de Berne et l'année suivante, professeur à l'université de Zurich.

En 1905, dans le premier d'une série de trois articles, Einstein discute l'hypothèse émise par Max Planck, selon laquelle l'énergie électromagnétique est émise par des quantités discrètes. L'énergie de ces quanta est directement proportionnelle à la fréquence de la radiation. Cela semble en contradiction avec la théorie classique de l'électromagnétisme basée sur les équations de Maxwell et les lois de la thermodynamique qui décrivent une théorie ondulatoire dans laquelle l'énergie peut être aussi faible que l'on veut. Einstein utilisa l'hypothèse de Planck pour décrire le rayonnement électromagnétique de la lumière.

Le deuxième article de 1905 introduisait ce qui est appelé aujourd'hui la théorie de la relativité restreinte. Il basa sa théorie sur une réinterprétation du principe classique de relativité selon lequel les lois de la physique sont indépendantes du système de référence. Comme seconde hypothèse fondamentale, Einstein supposa que la vitesse de la lumière était invariante comme il le fallait pour la théorie de Maxwell.

Plus tard en 1905 Einstein montra l'équivalence de la masse et de l'énergie. Il n'était pas le premier à proposer les bases de la relativité restreinte, mais sa contribution réside dans l'unification de parties importantes de la mécanique classique et de l'électrodynamique de Maxwell.

Le troisième article de 1905 concerne la mécanique statistique, un domaine qui avait été étudié par Ludwig Boltzmann et Josiah Gibbs.

Après 1905, Einstein continua à travailler dans ces domaines. Il apporta d'importantes contributions à la théorie quantique, mais il cherchait à étendre la relativité restreinte aux phénomènes où intervenait une accélération. La clé apparut en 1907 avec le principe d'équivalence, dans lequel la gravitation devenait de même nature que les forces mécaniques. La masse gravitationnelle était identique à la masse inertiale.

En 1909, Einstein fut reconnu comme l'un des plus grands philosophes scientifiques. Après avoir obtenu des chaires à Prague et à Zurich, il obtint (1914) un poste prestigieux à l'Association Kaiser-Wilhelm de Berlin. A partir de cette époque il n'enseigna plus à l'université. Einstein resta dans le personnel à Berlin jusqu'en 1933, et ensuite occupa jusqu'à son décès, une place de chercheur à l'Institute for Advanced Study de Princeton.

En 1911, Einstein fit une première prédiction sur la manière dont les rayons lumineux émis par une étoile lointaine étaient déviés en passant à proximité du soleil.

Vers 1912, Einstein entama une nouvelle phase de ses recherches sur la gravitation avec l'aide de son ami mathématicien Marcel Grossmann, en exprimant ses travaux à l'aide du calcul tensoriel de Tullio Levi-Civita et Gregorio Ricci-Curbastro. Einstein appela sa nouvelle théorie la relativité générale. Après plusieurs tentatives il publia fin 1915, la version définitive.

Einstein retourna en Allemagne en 1914, mais il ne demanda pas la nationalité allemande. Lorsque les expéditions britanniques confirmèrent ses prédictions lors de l'éclipse de 1919, Einstein fut encensé par la presse populaire.

Einstein reçut le prix Nobel en 1921, non pour son travail en relativité mais bien pour son travail de 1905 sur l'effet photoélectrique.

Il travailla jusqu'à sa mort à Princeton pour tenter d'unifier les lois de la physique en incluant le champ électromagnétique à la théorie de la relativité générale.