Opracował podstawy kwantowej teorii pola elektromagnetycznego (Einsteina prawo, Einsteina współczynniki), szczególną (1905) i ogólną (1916) teorie względności. W 1921 został laureatem Nagrody Nobla za podstawowe prace teoretyczne dotyczące natury światła. Inicjator Manhattan Project.
Później pracował nad unifikacją teorii oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych, ale bez sukcesów. Pomimo wkładu w rozwój korpuskularnej teorii światła (zjawisko fotoelektryczne) był przeciwnikiem mechaniki kwantowej, a szczególnie jej tzw. interpretacji kopenhaskiej (N. Bohr) opartej na pojęciu prawdopodobieństwa.
Zgodnie z teorią względności Einsteina przestała istnieć przestrzeń trójwymiarowa, nieskończona, podobna do olbrzymiego naczynia wypełnionego rzeczami. Podobnie jak czas, zaczęła być rozumiana względnie, jako każdorazowo wyznaczona przez znajdujące się w niej i poruszające ciała.
Teoria względności stała się przyczyną zmian myślenia nie tylko w naukach ścisłych, ale także przyrodniczych, w filozofii, oraz oddziałała na twórczość literacką i artystyczną XX w.