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如果说，在狭义相对论诞生前，还存在有先驱者的大量工作的话，那么广义相对论，可以说是爱因斯坦一人促成的。
狭义相对论建立起来后，理论本身既没有什么可怀疑的问题，又与实验没有什么矛盾，但是，爱因斯坦却把目光投向了新的领域——广义相对论。爱因斯坦主要基于把相对性原理贯彻到底的信念，以及他在哲学和认识论上的原则，一鼓作气完成了广义相对论。当时，许多科学家对此觉得不可理解，例如普朗克就反问爱因斯坦：“现在一切都能明白地解释了，你为什么又忙于另一个问题呢？”
实际上，爱因斯坦早就想到另一个有趣的问题：如果有人凑巧在一个自由下落的升降机里，那会发生什么现象呢？在“奥林匹亚科学院”时期，他研读了马赫的《力学史评》，马赫关于惯性来源于宇宙遥远的物质的影响，对爱因斯坦无疑是有启示的。爱因斯坦想：在牛顿力学中，为什么惯性系比其他坐标系都特殊呢？为什么速度是相对的，而加速度是绝对的呢？
爱因斯坦在建立狭义相对论后，就试图着手建立引力的相对性理论。爱因斯坦起初想在狭义相对论的框架内，构造引力理论，但是存在着一个难以克服的困难：根据狭义相对论中的质能关系式，也就是E= mc 2 ，物理体系的惯性质量，随其总能量的增加而增加，但是根据匈牙利物理学家厄缶，在1890年做的精密的扭秤实验，物体的引力质量却与它的惯性质量相等，这样自由落体的加速度，就应当与它的速度和内部状态密切相关，这显然与日常经验和该结论的前提相矛盾。爱因斯坦意识到，局限于狭义相对论的框架，要找到满意的引力理论是毫无希望的。
伽利略早就发现了一个极其简单的实验事实：一切物体在引力场中都具有同一加速度，即物体的惯性质量，同它的引力质量相等。但是，在牛顿力学中，这一事实并没有得到解释。多年来，人们都把这一司空见惯的事实，看作是理所当然的，从未把它当作一个重要的问题认真思考过。
对于这个不成问题的问题，爱因斯坦却把它当作一个值得研究的大问题，并看出了其中的问题之所在，这正是他高于一般人的地方。日本物理学史家，广重彻说过：“当科学家觉察到所研究的问题，以前并不作为一个问题存在，这时科学变革就开始了。”看来，这话是有一定道理的。
爱因斯坦从惯性质量等于引力质量这一事实想到：如果在一个空间范围很小的引力场里，我们不是引进一个惯性系，而是引进一个相对于它做加速运动的参照系，那么，事物就会像在没有引力的空间里那样行动，这就是所谓等效原理。爱因斯坦进而把相对性原理，推广到加速系，这就是所谓的广义相对性原理。
1907年，爱因斯坦的兴趣，转向推广狭义相对论。同年，他发表了论文《关于相对论原理和由此得出的结论》。在这篇文章的第五部分，他就“相对性原理和引力”做了考察。他一开始就提出一个问题：
是否可以设想，相对性运动原理，对于相互做加速运动的参照系，也仍然成立？
他还在这里明确地提出了等效原理：
引力场同参照系的相当的加速度，在物理学上完全等价。
爱因斯坦认为他所发现的等效原理，是自己“一生中最愉快的思想”。
爱因斯坦1907年的方案的细节，仍旧是含糊的。等效原理，只是帮助他讨论了引力对电磁场的个别效应。等效原理的几何化，引力场的数学特性，它的源，以及场和源之间的关系，即引力场方程都尚未得到。在之后的大约三年时间内，爱因斯坦又醉心于新电子论的研究，想解决电子和电磁场的连接问题，但情况并不顺利，他于是又转向引力论。
1911年6月，爱因斯坦完成了“关于引力对光传播的影响”的论文，这篇文章，试图把“惯性质量与引力质量同等”这一并非偶然的结果，安插到一个更为一般的结构中去。但是，他没有完全取得成功，因为这时他还没有放弃牛顿的引力理论，只是在它上面加添了一些个别的新原理，拼凑起一个正确与错误的混合物，以致虽然很接近问题的答案，但毕竟还不是。
值得注意的是，爱因斯坦进一步根据等效原理，说明了光在引力场中弯曲的必要性。他预言，光线经过太阳附近，要产生0.83秒的偏转，对木星来说，只是此数值的百分之一。爱因斯坦迫切希望天文学家能对他的这个预言做出验证。
1911年的这篇论文，尽管还不成熟，但它毕竟在这一黑暗的领域内，划出了一道光，成为爱因斯坦最终通向广义相对论的中途站。
直到1912年，爱因斯坦意识到，用标准尺和理想钟测得的直接量度，来表示坐标差是不可能的；合理的引力理论，只能希望通过推广相对性原理而得到。必须使得一切坐标系都是平权的，即客观真实的物理规律，在任意坐标变换下形式不变，即所谓的“广义协变”——这时，才接近了广义相对论的门槛。但是，真正要打开大门，爱因斯坦还缺乏必要的数学工具。
在上大学时，爱因斯坦由于没有认识到，通向更深入的基本知识的道路，是同最精密的数学方法联系在一起的，因而在一定程度上忽视了数学。
在关键时刻，他的同学和朋友——数学家格罗斯曼，帮了他的大忙，他们找到了合适的数学工具。就这样，爱因斯坦经过艰苦的摸索和无数的辛劳，终于在1913年，和格罗斯曼共同完成了论文《广义相对论和引力理论纲要》。其中物理部分由爱因斯坦执笔，数学部分由格罗斯曼执笔。终于，广义相对论的大门就这样打开了。
在这篇论文中，爱因斯坦引入了更广泛的坐标系，使用了非线性坐标变换，推导出引力场中的质点运动方程。爱因斯坦的做法，对理论带来了两个重大影响：一是，更普遍的数学工具的使用，推动他向最终解决问题的目标迈进；二是，采用更为一般的变换。
1915年，也是爱因斯坦富有成果的一年。他先发表了一篇《用广义相对论解释水星近日点运动》的论文，不用任何特殊假设，就成功地解释了水星在轨道上的长轴旋转：每100年大约偏转43秒。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近弯曲的错误数值，新结果比原先的值大一倍。这年 11月，爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文——《广义相对论的基础》。
爱因斯坦在回忆这件事时说道：
在对以前的理论结果和方法，失掉一切信心之后，我清楚地看到，只有同一般的协变原理，即黎曼协变理论联系起来，才能得到令人满意的解决。……我感到高兴的是，不仅牛顿的理论，作为第一近似值得出了，而且水星近日点运动，作为第二近似值也得出了。关于太阳附近光的偏折，得到的总量是以前的两倍。
《广义相对论的基础》发表于1916年，它是广义相对论的“标准版本”。在这里，爱因斯坦的思想，已经达到炉火纯青的地步，如行云流水，看不到一点斧凿的痕迹。
爱因斯坦所讲的理论，其范围极大，而概念却十分清晰，它对所有的参照系，都同样适用。经典守恒定律不再是些定律，而仅仅是些恒等式，它们失去了原有的意义。不再存在理论中所含的电磁力或弹性力那种意义的引力，引力是以完全不同的方式出现的。狭义相对论给出的固定时空不见了。过去曾错误地认为，物体通过引力来对其他物体的运动发生影响；而现在认为，是物体影响其他物体在其中做自由运动的时空几何。
在改变后的时空中的这种自由运动，就是曾被错误地认为是在原来时空中的受迫振动。现在，自然定律是一种涉及时空的几何命题，时空变成一种“度规空间”。引力场中的物理量，与黎曼几何中相应的几何量，建立了一一对应的关系。在这种情况下，欧几里得几何和牛顿引力理论，仅仅是黎曼几何和广义相对论的一个特例。
广义相对论也有重要的哲学意义，诚如法国物理学家德布罗意所说，它是“熏陶物理学家们的精神的最好的手段”。广义相对论告诉我们，时空与物质密切相关，是运动着的物质的存在形式。爱因斯坦说：
空间与时间，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。
而在狭义相对论中，时间与空间，作为一个惯性系，仅作用于一切物质客体，而这些物质客体，却不对时间与空间给以反作用。因此，广义相对论便在更深一层意义上，否定了牛顿的绝对时空观，揭示出“时空是物质存在的形式”。
德国物理学家玻恩，在1955年的一篇报告中评论说：“对于广义相对论的提出，我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺，令人惊叹地结合在一起。”爱因斯坦“在黑暗中焦急地探索着的年代里，怀着热烈的向往，时而充满自信，时而精疲力竭，而最后终于看到了光明”。狭义相对论和广义相对论的大厦全部建成了！
相对论也是集中体现科学美和数学美的杰作。相对论犹如一座琼楼玉宇，其外部结构之华美雅致，其内藏观念之珍美新奇，都是无与伦比的。
相对论的逻辑前提，是两条在逻辑上再简单不过的原理，它们支撑着内涵丰富的庞大理论体系，而毫无重压之感。其建筑风格是高度对称的，从基石到顶盖莫不如此。四维时空连续统，显示出精确的、贯穿始终的对称性原理，也蕴涵着从日常经验来看，绝不是显而易见的不变性或协变性。
时空对称性，规定着其他的对称性：电荷和电流、电场和磁场、能量和动量等的对称性。在这样高度对称的琼楼玉宇中，又陈放着诸多奇异的观念，如，四维世界、弯曲时空、广义协变、尺缩钟慢，等等，从而更彰显出爱因斯坦全新的物理学大厦的壮丽辉煌。