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这时，爱因斯坦不仅认识到引力与惯性力的相似性，而且认识到“引力质量与惯性质量相等”是经过严格实验检验的结论。经过反复思考后，他决定把这一结论往前推进一步，提出等效原理：惯性场与引力场局域等效。这就是说，在无穷小时空范围内，人们无法区分引力与惯性力。
爱因斯坦关于升降机（电梯）的思想实验（图3-3），最清楚地表达了他的等效原理思想。设想一个观测者处在一个封闭的升降机内，得不到升降机外部的任何信息。当他看到机内的一切物体都自由下落，下落加速度a与物体的大小及物质组成无关时（此时，他自己也感受到重力Ma，M是他自身的引力质量），他无法断定自己处在下列两种情况的哪一种：
图3-3 爱因斯坦升降机
（a）引力与加速：左边表示升降机在星球（例如地球）表面静止，右边表示升降机在太空中加速；（b）自由下落与失重：左边表示升降机在星球引力场中自由下落，右边表示升降机在太空中作惯性运动
（1）升降机静止在一个引力场强为a的星球的表面。
（2）升降机在无引力场的太空中以加速度a运动。
当观测者感到自己和升降机内的一切物体都处于失重状态时，他同样无法断定自己处在下列两种情况的哪一种：
（1）升降机在引力场中自由下落。
（2）升降机在无引力的太空中作惯性运动。
造成上述现象的原因是，无法用任何物理实验来区分引力场和惯性场。即等效原理造成了上述不可区分性。
然而，引力场与惯性场还是有不同之处，它们在有限大小的时空范围内并不等效。例如，由于星球是球体，静置于星球表面的升降机，其内部的引力线有向星球中心汇聚的趋势，而在星际空间加速的升降机，其内部的惯性力线则是平行的。只要升降机不是无穷小，探测这些力线的灵敏仪器就可以区分这两种情况。
所以等效原理是一个局域性原理。也就是说，引力场与惯性场仅在无穷小时空范围内不可区分。
等效原理、马赫原理和广义相对性原理，形成了爱因斯坦新理论的物理基础。