洛伦兹的工作主要是对旧体系的修正，彭加勒的工作也只给出了一个概念框架，真正拉开物理学革命之序幕的是爱因斯坦。这位犹太血统的物理学家1879年3月14日生于德国南部的小城乌尔姆。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未表现出智力超群，相反，到了四五岁他还不会说话。家里人生怕他是个低能儿。上中学之后，他的学业也不突出，除了数学很好外，其他功课都不怎么样。尤其是拉丁语和希腊语课，爱因斯坦学得一塌糊涂。他对这些古典语言太不感兴趣了。老师劝他退学算了，说他不会有大出息的。就这样，人类历史上最伟大的天才之一中途退学了。
1895年，16岁的爱因斯坦来到了瑞士苏黎世，准备报考那里的联邦工业大学。本来他的年龄不够，不能参加报考，但家里托了点关系，因为爱因斯坦失学在家总不是个事。第一次爱因斯坦没有考上。那些需要死记硬背的功课，像德语、法语、动物学、植物学等都没有考好，但他的数学和物理考得很不错。教授们安慰他还年轻，下次再来，先找个中学上。这样，爱因斯坦又进入了离苏黎世不远的阿劳镇中学。在阿劳期间，爱因斯坦拥有了人生中比较快乐的一段时光。他尝到了瑞士自由的空气和阳光，决心放弃德国国籍。1896年1月28日，爱因斯坦正式成为一个无国籍者。当年，他终于考进了联邦工业大学。
在大学期间，爱因斯坦还是只对自己感兴趣的学科着迷，而忽视其他科目。这时候，他迷上了物理学而冷落了数学。数学课全凭一位叫格罗斯曼的同学的笔记来应付。1900年，他大学毕业了，但一时找不到工作。1901年2月，他取得了瑞士国籍，但工作依然没有着落。最后依然是格罗斯曼帮了他的忙。格罗斯曼的父亲有位朋友在伯尔尼专利局当局长，经说情爱因斯坦在那里找到了一份固定职业——当技术员。1902年，爱因斯坦在伯尔尼定居了，而且在那里与几个朋友组织了一个学习小组，讨论科学和哲学的前沿问题。因常在一个叫奥林匹亚的小咖啡馆聚会，他们把自己的小组称作奥林匹亚科学院。
早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题，如果一个人以光速运行，他将看到一幅什么样的世界景象呢？电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢？如果是那样，电动力学就完了。看起来，电动力学的麦克斯韦方程只对于一个绝对静止不动的参考系即以太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理相矛盾。所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地称之为相对性原理。他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无论用什么物理实验，也无法确定该船是否在相对于河流做匀速直线运动即惯性运动。可是，电动力学为什么不遵从伽利略的相对性原理呢？
在伯尔尼专利局的岁月里，爱因斯坦广泛关注着物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，形成了自己独特的见解。1905年是科学史上值得记载的一年，这一年中，爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了五篇论文，其中的三篇每篇均是划时代的成就。
一篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷第132～148页，是关于光电效应的。当时人们已经发现，金属在光的照射下可以发射出电子，但奇怪的是，光的强度只与电子的多少有关，而不能使电子的发射能量变大。对这一点，古典物理学无法解释。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成。正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且，只有一定能量的光量子能被金属吸收，并激发一定能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
第二篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷第549～560页，是关于布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发现的显微镜下花粉颗粒的无规则运动，长期以来得不到解释。分子运动论建立之后，曾有人用大量分子无规则运动的观点解释布朗运动，但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。
最伟大的成就是第三篇论文《论动体的电动力学》，刊于《物理学年鉴》第17卷第891～921页。在这篇论文中，爱因斯坦提出了他举世闻名的相对性理论即相对论。这是他多年来思考以太与电动力学问题的结果。他以同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式。以太概念不再是必要的，以太漂移问题也不再存在。如果迈克尔逊的实验导致了零结果，那么它正是一次成功的实验，证明所谓以太漂移根本就是虚幻的。
何谓同时性的相对性？要理解这个思想，首先要理解什么是同时性，特别要了解不同地点发生的两个事件的同时性意味着什么。我们是怎么知道不同地方的两个事件是同时发生的呢？我们看两个地方的钟所指示的时间。但我们怎么知道这两个钟是一致的呢？需要事先对钟。如何对钟？需要信号。如果信号的传播速度是无限大的，那么对钟就比较简单。
问题就在于，最快的光信号的速度也是有限的。用光信号来对钟会产生一个我们过去未曾想到的结论：对于静止观察者同时的两个事件，对于运动的观察者就不是同时的。设AB两地各发生了一个事件（比如发生了一次闪光），处在AB的中点C处的观察者同时接收到了来自AB两地的光信号，于是我们说两事件是同时发生的。现在我们假设，当静止在C处的观察者同时接收到来自A和B两地的光信号时，一个由A向B运动的观察者也恰好处在C处。此时，这位运动的观察者是否也同时收到来自AB两处的光信号呢？答案是否定的。他会发现B点的闪光先于A点的到达，因此，在这位运动的观察者看来，B事件先于A事件，它们是不同时的。因此，引入了观察者的运动状态之后，我们就很容易发现，同时性不是绝对的，而是相对的。这一结论否定了牛顿力学所引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。
同时性的相对性带来了一系列的物理后果，其中广为人知的是尺缩钟慢效应。尺缩钟慢效应说的是：对两个相互运动的参照系来说，处在某参照系中的观察者将会发现另一参照系中的物体在运动方向上缩短了，其时钟走慢了。这两个效应都只是相对论效应，在本参照系中的观察者看不出这种效应。而且，相对论效应是相互的，你看见我的尺缩钟慢，我也看见你的尺缩钟慢。
钟慢效应意味着一切周期现象的节奏都变慢了，包括人的生命周期，这就引出了一个十分有趣的双生子难题。假定有一对孪生兄弟，其中的一个要以接近于光速（为了充分显示相对论效应）的速度做一次宇宙航行，按照相对论效应，待在地球上的那位就会发现其兄弟的生命周期放慢，比如，自己活了10年，对方才过了1年。当然，按照相对论，在宇宙飞船上的那位，也会发现待在地球上的兄弟生命周期放慢，因为在他看来，地球以一个与飞船速度相等的速度反向运动。现在假定宇航结束了，两兄弟重逢了，那么他们究竟谁更老、谁更年轻？这就是所谓的双生子佯谬。今天我们知道，这个难题在狭义相对论的范围内无法解决，因为在这个假想的实验中，地球与飞船并不都处在惯性运动状态。飞船为了离开地球以及最后回到地球，都需要经历一段加（减）速时期，而这是狭义相对论所不能处理的。只有引入广义相对论，这个问题才有一个最后的答案：经历加速度的那位生命周期更慢些。
爱因斯坦相对论所引起的物理学革命首先是时间空间观革命。这场革命的本质是恢复了物理时间作为测度时间的测度本性：时间必须是一个可观测量。时间作为一个可观测量具体体现在“同时性”的可操作性方面。牛顿力学认为存在一个普适的时间，它对不同地方、不同参照系都同样适用，因此，说两事件同时发生就带有绝对性：不论两事件发生在同一地点还是发生在不同地点，不论是从与事件相对静止的惯性系看，还是从与事件相对运动的惯性系看，都是同时的。经典力学主张同时性的绝对性。但是，这样的同时性却缺乏一个操作定义。
恢复测度时间之测度本质的举动，将时间、空间与物质运动重新联系在一起，特别是，从测度的角度看，时间与空间不再是独立不依的两个东西，而是相互不可分割的统一体中的两个方面。闵可夫斯基发展了这一思想，将时间与空间结合起来，组织成空-时（space-time）概念。他指出，“空间自身和时间自身，被宣告退隐，唯有它们的某种结合来维持一个独立的实在……空间和时间消失在阴影中，唯有世界自身存在”。世界不再像传统所认为的，是三维空间中的物质客体在一维时间之中的演化，相反，世界本身就是一个四维的空-时流形（manifold），是一个整块宇宙（blockuniverse）。我们在每一时刻所经验到的世界，只是四维连续统中的某一剖面或切片。世界就像是一盘电影胶片，只不过它将其图片一幅幅地向我们展示。
在闵可夫斯基的四维世界图景中，运动与时间性实际上已经消失。牛顿世界图景中三维世界的演化，今天成了四维世界的存在。再没有什么演化问题。四维空-时不过就是数学意义上的四维空间。闵可夫斯基的四维空间理论最简单明了地解释了双生子佯谬：不存在由两种不同时间尺度带来的矛盾，物理实在是唯一的四维空间。相对论放弃了相互独立的绝对时间和绝对空间概念，但并没有放弃“绝对性”本身，在相对论中起绝对作用的是四维空-时。
爱因斯坦得出的这些与日常经验大相径庭的结论过于离奇，一开始并未引起科学界的注意。爱因斯坦的论文只在德国有所反响。幸运的是，德国物理学的权威人物普朗克高度赞扬了这篇论文，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美。
可以与哥白尼相提并论的人还在伯尔尼的专利局里打杂呢！普朗克的学生劳厄来伯尔尼找爱因斯坦，他直奔伯尔尼大学找一位叫爱因斯坦的教授，可料想不到，这位“教授”还是一名公务员。1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇著名的论文以申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。德国物理学界对爱因斯坦已经耳熟能详，可在瑞士，新时代的哥白尼还是得不到一个大学教职。许多有名望的人开始为他鸣不平。1908年10月23日，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，并于次年当上了副教授。
1912年，爱因斯坦当上了教授。1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。这时期，爱因斯坦在考虑将已经建立起来的相对论推广。原先的理论只涉及惯性参考系，没有考虑到加速运动，因而被称为狭义相对论。
正在人们忙于理解狭义相对论时，爱因斯坦正接近完成广义相对论。1916年，爱因斯坦在老同学格罗斯曼的帮助下，运用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式。在这个理论中，引力是被考虑的主要问题。按照牛顿力学，任何物体既有惯性质量，也有引力质量。牛顿第二定律中的质量是惯性质量，而万有引力定律中的质量是引力质量。人们通常理所当然地认为它们是相等的，把它们统称为质量，可是，这种相等是偶然的吗？
狭义相对论与牛顿的万有引力理论实际上存在矛盾。在牛顿看来，引力是即时作用，引力场就像一个绝对时空的载体。这种看法为时空的相对性观念所不容。爱因斯坦将相对性原理推广到引力场中，指出引力场就相当于一个非惯性系。原则上人们对一个物体是正被加速还是正处在引力场中无法做出区分。这一原则被称为等效原理。惯性质量与引力质量相等是等效原理的一个自然的推论。广义相对论还指出，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，引力场实际上是一个弯曲的时空。
广义相对论首先解释了水星近日点的进动。这个进动被曾经预测海王星的法国天文学家勒维列用行星摄动方法来解释，他推测水星附近存在一个新的行星“火神星”。可是许多年过去了，谁也没有发现什么“火神星”。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中无法解释的43秒。
广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱应向红端移动。20世纪20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。
广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，这一预言最为引人注目，因为它很快得到了天文验证。按照广义相对论，光线偏转的程度与引力场的强度成正相关。为了检验，最好是选太阳引力场，因为它是地球附近最大的引力场。爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面，将会发生1.7秒的偏转。这个预言很难验证，因为大白天太阳太亮，看不到星光，晚上能看到星光太阳又下山了。但也有机会，那就是日全食的时候。1919年5月29日，这个机会终于来了。在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国人派出了两支远征队，一支到非洲西部的普林西比岛，由爱丁顿本人率领，另一支到南美的索布腊尔，由另一位天文学家克劳姆林带队。两支队伍不久就带回了日全食时的太阳照片。经反复核对和比较，最终结论是，星光在太阳附近的确发生了1.7秒的偏转。1919年11月6日，皇家学会和皇家天文学会正式宣读了两支队伍的观测报告，确认了广义相对论的结论是正确的。当时的皇家学会会长汤姆逊致辞说：“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一，也许就是最伟大的成就，它不是发现一个孤岛，而是发现了新的科学思想的新大陆。”
狭义和广义相对论的诞生革新了物理科学的基本概念框架。由于近代世界图景主要由物理科学提供，也可以说相对论革新了世界图景。世界图景不再是“筐子装东西”式的“时空+物质”模式。由于时空与物质及其运动之间发生了关联，世界图景成了“时空-场-物质-流形”。经典物理学中时空与物质之间的二分消解了，物质运动与时间空间成为一体。爱因斯坦说：“空间-时间未必能被看作是一种可以离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延。因此，‘空虚空间’这个概念就失去了它的意义。”
相对论在时空观方面的革命完全奠基于对希腊古典科学精神的再度弘扬。这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对数学简单性的追求。在狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要的作用，它的功能在于统一电动力学与牛顿力学。爱因斯坦自己说过，“狭义相对论的成就可以表征为一般地指出了普遍常数c（光速）在自然规律中所起的作用”。在广义相对论中，“等效原理”即引力场与加速系的等效是一个关键，它的功能也是为物理学的大统一奠定基础。可以说，为物理学奠定新的统一的概念基础，是相对论最重要的贡献，它也是导致物理学革命的主要原因。
对数学简单性的追求是爱因斯坦创立相对论的动机。他在一次报告中说：“相对论是要从逻辑经济上来改善世纪交替时所存在的物理学基础而产生的。”希腊时代毕达哥拉斯学派所倡导的追求“宇宙的数学和谐”的精神，是西方科学最具支配作用的基因。带动近代科学诞生的哥白尼的工作和开普勒的工作，均属于这一希腊精神的弘扬。爱因斯坦在纪念开普勒的文章中写道：“我们在赞赏这位卓越人物的同时，又带着另一种赞赏和敬仰的感情，但这种感情的对象不是人，而是我们出生于其中的自然界的神秘的和谐。古代人已设计出一些曲线，用来表示规律性的最简单的可想象的形式。在这中间，除了直线和圆以外，最重要的就是椭圆和双曲线。我们看到，这最后两种在天体的轨道中体现了出来──至少是非常近乎如此。这好像是说：在我们还未能在事物中发现形式之前，人的头脑应当先独立地把形式构造出来。开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发现同观察到的事实两者的比较中得出。”相对论继承了科学理论的形式化理想，实现了在极度数学化上的物理统一性。广义相对论的几何化思路则可以看成是毕达哥拉斯主义所达到的新的峰巅。
11月7日，媒体报道了英国天文学家的观测结果。爱因斯坦一下子成了世界名人。记者们蜂拥而至，索求签名照片的信件像雪片一般飞来。各国均向他发出访问邀请。爱因斯坦每到一地，均受到国王般的礼遇。
在德国，日益高涨的排犹运动使爱因斯坦忧心忡忡。德国科学家之中也有人反对相对论，说这是犹太物理学，应该加以抵制。1921年，爱因斯坦获得了诺贝尔奖奖金，但这奖来得十分不易。当时有不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获的奖章。结果评选委员会找到了一个办法，让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者而得奖，相对论始终没有获诺贝尔奖。
1930年，加州理工学院院长密立根邀请爱因斯坦每年冬天去美国访问讲学。1932年冬天，他在美国得知希特勒终于上台了，他的家也被抄了。他决定不再回德国。新泽西州普林斯顿高等研究所给了他一个高级研究员的职位，他便在普林斯顿定居下来。
爱因斯坦在生命的最后十年里，将全部精力投入统一场论的研究中。他希望将引力与电磁现象统一起来，但最终也没能成功。他总是孤身一人在物理学的最前沿拼杀，用他自己的话说，总是选木板中那些最厚的地方钻孔。他永远只做最难做的开创性工作，这种性格也使他远离了当时最火热的量子力学的发展。
在他的后半生，爱因斯坦卷入了当时复杂的国际政治中。他对到处弥漫的战争气氛感到十分不安和担忧。他从小就十分厌恶战争，热爱和平，因此一直持一种极端的和平主义立场。他号召青年人不要当兵，兵工厂应该罢工。但在第二次世界大战中，爱因斯坦眼看着由一小撮法西斯主义者发起的战争完全不可避免时，他改变了自己的态度，认为应该拿起枪来，与法西斯主义者做斗争，以尽早结束战争。为了防止德国纳粹最先造出原子弹，给人类带来巨大的危害，爱因斯坦亲自给当时的美国总统罗斯福写信，建议尽早研制原子弹。美国终于进行了曼哈顿工程，于1945年7月16日成功地试爆了第一颗原子弹，但这时德国人已经战败。第二颗和第三颗原子弹投到了日本，很快使日本投降，结束了第二次世界大战。爱因斯坦看到战后愈演愈烈的核军备竞赛，忧心忡忡，感到自己有责任制止核武器的扩散。他参加了无数的会议，发表了无数的宣言，致力于消灭原子弹的政治活动，但收效甚微。
1955年4月18日，爱因斯坦在普林斯顿的家中病逝。爱因斯坦生前反复强调不设立坟墓，不立纪念碑，因此遵照遗嘱，没有举行公开的葬礼，火化时只有几位最亲近的朋友在场，骨灰则被秘密保存。法国物理学家朗之万评论说：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构中。”
