L'idée prend sa forme la plus rigoureuse dans la relativité restreinte, où l'espace-temps est plat, c'est-à-dire qu'il n'est pas courbé par la matière ou l'énergie. Les lois de la physique y sont les mêmes pour tous les observateurs en mouvement rectiligne uniforme. L'un des résultats majeurs de cette théorie est que le temps ne s'écoule pas de manière absolue : il dépend de la vitesse de l'observateur. C'est ce que l'on appelle la dilatation du temps. Par ailleurs, les longueurs mesurées par des observateurs en mouvement peuvent également varier (contraction des longueurs). Ces effets sont des manifestations de la géométrie particulière de l'espace-temps et du fait que la vitesse de la lumière y est constante pour tous les observateurs.

Lorsque l'on introduit la gravitation, on passe à la relativité générale, dans laquelle l'espace-temps cesse d'être une simple scène passive. Il devient une entité dynamique qui peut être courbée par la présence de masse et d'énergie. Autrement dit, la gravitation n'est pas une force classique agissant à distance, mais une manifestation de la courbure de l'espace-temps. Ainsi, les corps massifs comme les étoiles ou les planètes déforment la géométrie de l'espace-temps autour d'eux, et les objets qui passent à proximité suivent naturellement des trajectoires courbes – ce que nous interprétons comme une attraction gravitationnelle. Cette formulation est exprimée mathématiquement par les équations de champ d'Einstein, un ensemble d'équations différentielles qui relient la géométrie de l'espace-temps au contenu en matière-énergie.

À l'échelle cosmologique, le concept d'espace-temps permet également de modéliser l'évolution de l'univers tout entier. Selon le modèle standard de la cosmologie, l'univers a émergé d'un état extrêmement dense et chaud et s'est étendu au cours du temps. L'espace-temps lui-même est en expansion, ce qui signifie que la distance entre deux points de l'univers augmente même sans mouvement propre des objets concernés. Ce phénomène est mesuré par le décalage vers le rouge des galaxies lointaines.

Des phénomènes extrêmes comme les trous noirs ou les ondes gravitationnelles sont aussi des preuves spectaculaires de la nature dynamique de l'espace-temps. Les trous noirs représentent des régions où la courbure de l'espace-temps devient infinie, créant une frontière (l'horizon des événements) au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper. Les ondes gravitationnelles, quant à elles, sont des perturbations de l'espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière, générées par des événements astrophysiques violents comme la fusion de trous noirs.

Le concept d'espace-temps soulève également des questions fondamentales à l'interface de la physique quantique et de la gravitation. Les tentatives de quantifier la gravitation (gravitation quantique) suggèrent que la structure de l'espace-temps pourrait être granulaire ou "moussée" à l'échelle de Planck, mais ces idées restent pour l'instant théoriques.