De nouvelles observations montrent que l'univers est bien plus vaste que ce que l'on imaginait. Par ailleurs,, les théories de la relativité et de la physique quantique introduisent des concepts révolutionnaires conduisant à repenser la géométrie de l'espace et l'organisation de la matière.

Albert Einstein énonce en 1905 la relativité de l'espace et du temps, appelée aujourd'hui relativité restreinte. Il y énonce la fameuse loi E=mc2 reliant la masse de tout corps à son énergie et à la vitesse de la lumière - une constante absolue. En 1916, la relativité générale propose un nouveau cadre pour comprendre l'univers. Einstein assimile la gravitation non à des forces, mais à une "courbure" de l'espace et du temps engendrée par les corps massifs. L'univers, ainsi modelé par la gravitation, tissé par la lumière, courbé par la matière, devient "élastique".

Parallèlement, la physique quantique se met en place dans les années 1920-1930 pour rendre compte des phénomènes microscopiques. Tout au long du siècle, les deux théories progressent indépendamment l'une de l'autre. C'est d'ailleurs l'impossibilité de concilier la physique quantique avec la relativité qui limite notre capacité à reconstruire le passé très lointain de l'univers. En effet, plus on remonte dans le passé de l'univers tel que le décrivent les modèles relativistes de big bang, plus les conditions physiques nécessitent de faire appel à la théorie quantique.

La relativité renouvelle totalement la cosmologie en donnant au concept d'univers un statut d'objet physique à part entière. Il est identifié à l'espace-temps, avec son contenu de matière, lumière, rayonnements, et sa structure exprimée sous forme géométrique par une courbure et une topologie. Depuis les années 1930, les astronomes savent que l'univers est en expansion. L'espace se dilate globalement, sans être lui-même contenu dans autre chose. Du point de vue des observations, l'expansion se manifeste par le "décalage vers le rouge" des galaxies, ce qui signifie que les galaxies s'éloignent avec une vitesse proportionnelle à leur éloignement.

Les résultats des observations et les avancées théoriques font naître une nouvelle vision de l'univers, formulée dès les années 1930 par le Belge Georges Lemaître, et adoptée dans les années 1960 sous la forme des modèles de big bang. L'univers évolue, il a une histoire que les astronomes reconstituent pièce après pièce. L'expansion s'accompagne d'une dilution et d'un refroidissement de la matière, et surtout d'une structuration progressive qui aboutit, au cours de l'histoire cosmique, aux galaxies, aux étoiles et aux planètes.