伽利略的測量被牛頓用來作為他的運動定律的基礎。在伽利略的實驗中，當物體從斜坡上滾下時，它一直受到不變的外力（它的重量），其效應是它被恒定地加速。這表明，力的真正效應總是改變物體的速度，而不是像原先想像的那樣，僅僅使之運動。同時，它還意味著，隻要一個物體沒有受到外力，它就會以同樣的速度保持直線運動。這個思想是第一次被牛頓在1687年出版的《數學原理》一書中明白地敘述出來，並被稱為牛頓第一定律。物體受力時發生的現象則由牛頓第二定律所給出：物體被加速或改變其速度時，其改變率與所受外力成比例。（例如，如果力加倍，則加速度也將加倍。）物體的質量（或物質的量）越大，則加速度越小，（以同樣的力作用於具有兩倍質量的物體則隻產生一半的加速度。）小汽車可提供一個熟知的例子，發動機的功率越大，則加速度越大，但是小汽車越重，則對同樣的發動機加速度越小。
除了他的運動定律，牛頓還發現了描述引力的定律：任何兩個物體都相互吸引，其引力大小與每個物體的質量成正比。這樣，如果其中一個物體（例如Ａ）的質量加倍，則兩個物體之間的引力加倍。這是你能預料得到的，因為新的物體Ａ可看成兩個具有原先質量的物體，每一個用原先的力來吸引物體Ｂ，所以Ａ和Ｂ之間的總力加倍。其中一個物體質量大到原先的２倍，另一物體大到３倍，則引力就大到６倍。現在人們可以看到，何以落體總以同樣的速率下降：具有２倍重量的物體受到將其拉下的２倍的引力，但它的質量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個效應剛好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同樣的。
牛頓引力定律還告訴我們，物體之間的距離越遠，則引力越小。牛頓引力定律講，一個恒星的引力隻是一個類似恒星在距離小一半時的引力的４分之１。這個定律極其‘精’確地預言了地球、月亮和其他行星的軌道。如果這定律變為恒星的萬有引力隨距離減小得比這還快，則行星軌道不再是橢圓的，它們就會以螺旋線的形狀盤旋到太陽上去。如果引力減小得更慢，則遠處恒星的引力將會超過地球的引力。
亞裏士多德和伽利略——牛頓觀念的巨大差別在於，亞裏士多德相信存在一個優越的靜止狀態，任何沒有受到外力和衝擊的物體都采取這種狀態。特別是他以為地球是靜止的。但是從牛頓定律引出，並不存在一個靜止的唯一標準。人們可以講，物體Ａ靜止而物體Ｂ以不變的速度相對於物體Ａ運動，或物體Ｂ靜止而物體Ａ運動，這兩種講法是等價的。例如，我們暫時將地球的自轉和它繞太陽的公轉置之一旁，則可以講地球是靜止的，一列火車以每小時90英哩的速度向北前進，或火車是靜止的，而地球以每小時90英哩的速度向南運動。如果一個人在火車上以運動的物體做實驗，所有牛頓定律都成立。例如，在火車上打乓乒球，將會發現，正如在鐵軌邊上一張台桌上一樣，乓乒球服從牛頓定律，所以無法得知是火車還是地球在運動。
缺乏靜止的絕對的標準表明，人們不能決定在不同時間發生的兩個事件是否發生在空間的同一位置。例如，假定在火車上我們的乓乒球直上直下地彈跳，在一秒鍾前後兩次撞到桌麵上的同一處。在鐵軌上的人來看，這兩次彈跳發生在大約相距100米的不同的位置，因為在這兩回彈跳的間隔時間裏，火車已在鐵軌上走了這麼遠。這樣，絕對靜止的不存在意味著，不能像亞裏士多德相信的那樣，給事件指定一個絕對的空間的位置。事件的位置以及它們之間的距離對於在火車上和鐵軌上的人來講是不同的，所以沒有理由以為一個人的處境比他人更優越。
牛頓對絕對位置或被稱為絕對空間的不存在感到非常憂慮，因為這和他的絕對上帝的觀念不一致。事實上，即使絕對空間的不存在被隱含在他的定律中，他也拒絕接受。因為這個非理‘性’的信仰，他受到許多人的嚴厲批評，最有名的是貝克萊主教，他是一個相信所有的物質實體、空間和時間都是虛妄的哲學家。當人們將貝克萊的見解告訴著名的約翰遜博士時，他用腳尖踢到一塊大石頭上，並大聲地說：“我要這樣駁斥它！“
亞裏士多德和牛頓都相信絕對時間。也就是說，他們相信人們可以毫不含糊地測量兩個事件之間的時間間隔，隻要用好的鍾，不管誰去測量，這個時間都是一樣的。時間相對於空間是完全分開並獨立的。這就是大部份人當作常識的觀點。然而，我們必須改變這種關於空間和時間的觀念。雖然這種顯而易見的常識可以很好地對付運動甚慢的諸如蘋果、行星的問題，但在處理以光速或接近光速運動的物體時卻根本無效。
光以有限但非常高的速度傳播的這一事實，由丹麥的天文學家歐爾?克裏斯琴森?羅麥於1676年第一次發現。他觀察到，木星的月亮不是以等時間間隔從木星背後出來，不像如果月亮以不變速度繞木星運動時人們所預料的那樣。當地球和木星都繞著太陽公轉時，它們之間的距離在變化著。羅麥注意到我們離木星越遠則木星的月食出現得越晚。他的論點是，因為當我們離開更遠時，光從木星月亮那兒要‘花’更長的時間才能達到我們這兒。然而，他測量到的木星到地球的距離變化不是非常準確，所以他的光速的數值為每秒140000英哩，而現在的值為每秒186000英哩。盡管如此，羅麥不僅證明了光以有限速度運動，並且測量了光速，他的成就是卓越的——要知道，這一切都是在牛頓發表《數學原理》之前11年進行的。
直到1865年，當英國的物理學家詹姆士?馬克斯韋成功地將當時用以描述電力和磁力的部分理論統一起來以後，才有了光傳播的真正的理論。馬克斯韋方程預言，在合並的電磁場中可以存在‘波’動的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水麵上的漣漪那樣運動。如果這些‘波’的‘波’長（兩個‘波’峰之間的距離）為１米或更長一些，這就是我們所謂的無線電‘波’。更短‘波’長的‘波’被稱做微‘波’（幾個厘米）或紅外線（長於萬分之一厘米）。可見光的‘波’長在百萬分之40到百萬分之80厘米之間。更短的‘波’長被稱為紫外線、Ｘ‘射’線和伽瑪‘射’線。
馬克斯韋理論預言，無線電‘波’或光‘波’應以某一固定的速度運動。但是牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，所以如果假定光是以固定的速度傳播，人們必須說清這固定的速度是相對於何物來測量的。這樣人們提出，甚至在“真空”中也存在著一種無所不在的稱為“以太”的物體。正如聲‘波’在空氣中一樣，光‘波’應該通過這以太傳播，所以光速應是相對於以太而言。相對於以太運動的不同觀察者，應看到光以不同的速度衝他們而來，但是光對以太的速度是不變的。特別是當地球穿過以太繞太陽公轉時，在地球通過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大於在與運動垂直方向測量的光速（當我們不對光源運動時）。1887年，阿爾貝特?麥克爾遜（後來成為美國第一個物理諾貝爾獎獲得者）和愛德華?莫雷在克裏夫蘭的卡思應用科學學校進行了非常仔細的實驗。他們將在地球運動方向以及垂直於此方向的光速進行比較，使他們大為驚奇的是，他們發現這兩個光速完全一樣！
在1887年到1905年之間，人們曾經好幾次企圖去解釋麥克爾遜——莫雷實驗。最著名者為荷蘭物理學家亨得利克?羅洛茲，他是依據相對於以太運動的物體的收縮和鍾變慢的機製。然而，一位迄至當時還不知名的瑞士專利局的職員阿爾貝特?愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，隻要人們願意拋棄絕對時間的觀念的話，整個以太的觀念則是多餘的。幾個星期之後，一位法國最重要的數學家亨利?彭加勒也提出類似的觀點。愛因斯坦的論證比彭加勒的論證更接近物理，因為後者將此考慮為數學問題。通常這個新理論是歸功於愛因斯坦，但彭加勒的名字在其中起了重要的作用。
這個被稱之為相對論的基本假設是，不管觀察者以任何速度作自由運動，相對於他們而言，科學定律都應該是一樣的。這對牛頓的運動定律當然是對的，但是現在這個觀念被擴展到包括馬克斯韋理論和光速：不管觀察者運動多快，他們應測量到一樣的光速。這簡單的觀念有一些非凡的結論。可能最著名者莫過於質量和能量的等價，這可用愛因斯坦著名的方程E＝mc^2來表達（這兒Ｅ是能量，ｍ是質量，ｃ是光速），以及沒有任何東西能運動得比光還快的定律。由於能量和質量的等價，物體由於它的運動所具的能量應該加到它的質量上麵去。換言之，要加速它將變得更為困難。這個效應隻有當物體以接近於光速的速度運動時才有實際的意義。例如，以10％光速運動的物體的質量隻比原先增加了0。5％，而以90％光速運動的物體，其質量變得比正常質量的２倍還多。當一個物體接近光速時，它的質量上升得越來越快，它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質量會變成無限大，而由質量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。由於這個原因，相對論限製任何正常的物體永遠以低於光速的速度運動。隻有光或其他沒有內稟質量的‘波’才能以光速運動。
相對論的一個同等卓越的成果是，它變革了我們對空間和時間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈衝從一處發到另一處，（由於時間是絕對的）不同的觀測者對這個過程所‘花’的時間不會有異議，但是他們不會在光走過的距離這一點上取得一致的意見（因為空間不是絕對的）。由於光速等於這距離除以所‘花’的時間，不同的觀察者就測量到不同的光速。另一方麵，在相對論中，所有的觀察者必須在光是以多快的速度運動上取得一致意見。然而，他們在光走過多遠的距離上不能取得一致意見。所以現在他們對光要‘花’多少時間上也不會取得一致意見。（無論如何，光所‘花’的時間正是用光速——這一點所有的觀察者都是一致的——去除光所走的距離——這一點對他們來說是不一致的。）總之，相對論終結了絕對時間的觀念！這樣，每個觀察者都有以自己所攜帶的鍾測量的時間，而不同觀察者攜帶的同樣的鍾的讀數不必要一致。.