實驗檢驗
水星近日點進動
1859年，天文學家勒威耶(Le Verrier)發現水星近日點進動的觀測值，比根據牛頓定律計算的理論值每百年快38角秒。他猜想可能在水星以內還有一顆小行星，這顆小行星對水星的引力導致兩者的偏差。可是經過多年的搜索，始終沒有找到這顆小行星。1882年，紐康姆(S.Newcomb)
經過重新計算，得出水星近日點的多餘進動值爲每百年43角秒。他提出，有可能是水星因發出黃道光的瀰漫物質使水星的運動受到阻力。但這又不能解釋爲什麼其他幾顆行星也有類似的多餘進動。紐康姆於是懷疑引力是否服從平方反比定律。後來還有人用電磁理論來解釋水星近日點進動的反常現象，都未獲成功。
1915年，愛因斯坦根據廣義相對論把行星的繞日運動看成是它在太陽引力場中的運動，由於太陽的質量造成周圍空間發生彎曲，使行星每公轉一週近日點進動爲：
ε=24π2a2/T2c2(1-e2)
其中a爲行星軌道的長半軸，c爲光速，以cm/s表示，e爲偏心率，T爲公轉週期。對於水星，計算出ε=43″/百年，正好與紐康姆的結果相符，一舉解決了牛頓引力理論多年未解決的懸案。這個結果當時成了廣義相對論最有力的一個證據。水星是最接近太陽的內行星。離中心天體越近，引力場越強，時空彎曲的曲率就越大。再加上水星運動軌道的偏心率較大，所以進動的修正值也比其他行星爲大。後來測到的金星，地球和小行星伊卡魯斯的多餘進動跟理論計算也都基本相符。
光線在引力場中的彎曲
1911年愛因斯坦在《引力對光傳播的影響》一文中討論了光線經過太陽附近時由於太陽引力的作用會產生彎曲。他推算出偏角爲0.83″，並且指出這一現象可以在日全食進行觀測。1914年德國天文學家弗勞德(E.F.Freundlich)領隊去克里木半島準備對當年八月間的日全食進行觀測，正遇上第一次世界大戰爆發，觀測未能進行。幸虧這樣，因爲愛因斯坦當時只考慮到等價原理，計算結果小了一半。1916年愛因斯坦根據完整的廣義相對論對光線在引力場中的彎曲重新作了計算。他不僅考慮到太陽引力的作用，還考慮到太陽質量導致空間幾何形變，光線的偏角爲：α=1″.75R0/r，其中R0爲太陽半徑，r爲光線到太陽中心的距離。
1919年日全食期間，英國皇家學會和英國皇家天文學會派出了由愛丁頓(A.S.Eddington)等人率領的兩支觀測隊分赴西非幾內亞灣的普林西比島(Principe)和巴西的索布臘兒爾(Sobral)兩地觀測。經過比較，兩地的觀測結果分別爲1″.61±0″.30和1″.98±0″.12。把當時測到的偏角數據跟愛因斯坦的理論預期比較，基本相符。這種觀測精度太低，而且還會受到其他因素的干擾。人們一直在找日全食以外的可能。20世紀60年代發展起來的射電天文學帶來了希望。用射電望遠鏡發現了類星射電源。1974年和1975年對類星體觀測的結果，理論和觀測值的偏差不超過百分之一。
光譜線的引力紅移
廣義相對論指出，在強引力場中時鐘要走得慢些，因此從巨大質量的星體表面發射到地球上的光線，會向光譜的紅端移動。愛因斯坦1911年在《引力對光傳播的影響》一文中就討論了這個問題。他以Φ表示太陽表面與地球之間的引力勢差，ν0、ν分別表示光線在太陽表面和到達地球時的頻率，得：
(ν0 -ν)/ν=-Φ/c2=2×10-6.
愛因斯坦指出，這一結果與法布里(C.Fabry)等人的觀測相符，而法布里當時原來還以爲是其它原因的影響。
1925年，美國威爾遜山天文臺的亞當斯(W.S.Adams)觀測了天狼星的伴星天狼A。這顆伴星是所謂的白矮星，其密度比鉑大二千倍。觀測它發出的譜線，得到的頻移與廣義相對論的預期基本相符。
1958年，穆斯堡爾效應得到發現。用這個效應可以測到分辨率極高的r射線共振吸收。1959年，龐德(R.V.Pound)和雷布卡(G.Rebka)首先提出了運用穆斯堡爾效應檢測引力頻移的方案。接着，他們成功地進行了實驗，得到的結果與理論值相差約百分之五。
用原子鐘測引力頻移也能得到很好的結果。1971年，海菲勒(J.C.Hafele)和凱丁(R.E.Keating)用幾臺銫原子鐘比較不同高度的計時率，其中有一臺置於地面作爲參考鍾，另外幾臺由民航機攜帶登空，在1萬米高空沿赤道環繞地球飛行。實驗結果與理論預期值在10%內相符。1980年魏索特(R.F.C.Vessot)等人用氫原子鐘做實驗。他們把氫原子鐘用火箭發射至一萬公里太空，得到的結果與理論值相差只有±7×10^-5。
雷達回波延遲
光線經過大質量物體附近的彎曲現象可以看成是一種折射，相當於光速減慢，因此從空間某一點發出的信號，如果途經太陽附近，到達地球的時間將有所延遲。1964年，夏皮羅(I.I.Shapiro)首先提出這個建議。他的小組先後對水星、金星與火星進行了雷達實驗，證明雷達回波確有延遲現象。開始有人用人造天體作爲反射靶，實驗精度有所改善。這類實驗所得結果與廣義相對論理論值比較，相差大約1%。用天文學觀測檢驗廣義相對論的事例還有許多。例如：引力波的觀測和雙星觀測，有關宇宙膨脹的哈勃定律，黑洞的發現，中子星的發現，微波背景輻射的發現等等。通過各種實驗檢驗，廣義相對論越來越令人信服。然而，有一點應該特別強調：我們可以用一個實驗否定某個理論，卻不能用有限數量的實驗最終證明一個理論;一個精確度並不很高的實驗也許就可以推翻某個理論，卻無法用精確度很高的一系列實驗最終肯定一個理論。對於廣義相對論的是否正確，人們必須採取非常謹慎的態度，嚴格而小心地作出合理的結論。
第四假設
愛因斯坦的第四假設是其第一假設的推廣。它可以這樣表述：自然法則在所有的系中都是相同的。
不可否認，宣稱所有系中的自然規律都是相同的比稱只有在伽利略系中自然規律相同聽起來更“自然”。但是我們不知道(外部)是否存在一個伽利略系。
這個原理被稱作“廣義相對論原理”
死亡電梯
讓我們假想一個在摩天大樓內部自由下落的電梯，裏面有一個蠢人。 這人讓他的表和手絹同時落下。會發生什麼呢?對於一個電梯外以地球爲參照系的人來說，表、手絹、人和電梯正以完全一致的速度下落。(讓我們複習一下：依據等同性原理，引力場中物體的運動不依賴於它的質量。)所以表和地板，手絹和地板，人和表，人和手絹的距離固定不變。因此對於電梯裏的人而言，表和手絹將呆在他剛纔扔它們的地方。
如果這人給他的手錶或他的手絹一個特定的速度，它們將以恆定的速度沿直線運動。電梯表現得像一個伽利略系。然而，這不會永遠持續下去。遲早電梯都會撞碎，電梯外的觀察者將去參加一個意外事故的葬禮。
我們來做第二個理想化的試驗：我們的電梯遠離任何大質量的物體。比如，正在宇宙深處。我們的大蠢蛋從上次事故中逃生。他在醫院呆了幾年後，決定重返電梯。突然一個生物開始拖動這個電梯。經典力學告訴我們：恆力將產生恆定的加速度。(由於一個物體的質量隨速度的增加而增大，所以爲了產生恆定的加速度，所加的恆力也必須隨質量的增大而增大。當物體的速度接近光速時，物體的質量將趨於無限大。)由此，電梯在伽利略系中將有一個加速運動。
我們的天才傻瓜呆在電梯裏讓他的手絹和手錶下落。電梯外伽利略系中的人認爲手錶和手絹會撞到地板上。這是由於地板因其加速度而向它們(手絹和手錶)撞過來。事實上，電梯外的人將會發現表和地板以及手絹和地板間的距離以相同的速率在減小。另一方面，電梯裏的人會注意到他的手錶和手絹有相同的加速度，他會把這歸因於引力場。
這兩種解釋看起來似乎一樣：一邊是一個加速運動，另一邊是一致的運動和引力場。
讓我們再做一個實驗來證明引力場的存在。一束光通過窗戶射在對面的牆上。我們的兩位觀察者是這樣解釋的：
在電梯外的人告訴我們：光通過窗戶以恆定的速度(當然了!)沿一條直線水平地射進電梯，照在對面的牆上。但由於電梯正在向上運動，所以光線的照射點應在此入射點稍下的位置上。
電梯裏的人說：我們處於引力場中。由於光沒有質量，它不會受引力場的影響，它會恰好落在入射點正對的點上。
噢!問題出現了。兩個觀察者的意見不一致。然而在電梯裏的人犯了個錯誤。他說光沒有質量，但光有能量，而能量有一個質量(記住一焦耳能量的質量是：M=E/C^2)因此光將有一個向地板彎曲的軌跡，正象外部的觀察者所說的那樣。
由於能量的質量極小(C^2=300，000，000×300，000，000)，這種現象只能在非常強的引力場附近被觀察到。這已經被證實：由於太陽的巨大質量，光線在靠近太陽時會發生彎曲。這個試驗是愛因斯坦理論(廣義相對論)的首次實證。
結論
從所有這些實驗中我們得出結論：通過引入一個引力場我們可以把一個加速系視爲伽利略系。將其引伸，我們認爲它對所有的運動都適用，不論它們是旋轉的(向心力被解釋爲引力場)還是不均勻加速運動(對不滿足黎曼(Riemann)條件的引力場通過數學方法加以轉換)。你看，廣義相對論與實踐處處吻合。
上述例子取自 “L'évolution des idées en Physique” 愛因斯坦和 Leopold Infeld 著。
物理應用
引力透鏡
愛因斯坦十字：同一個天體在引力透鏡效應下的四個成像
引力場中光線的偏折效應是一類新的天文現象的原因。當觀測者與遙遠的觀測天體之間還存在有一個大質量天體，當觀測天體的質量和相對距離合適時觀測者會看到多個扭曲的天體成像，這種效應被稱作引力透鏡。受系統結構、尺寸和質量分佈的影響，成像可以是多個，甚至可以形成被稱作愛因斯坦環的圓環，或者圓環的一部分弧。最早的引力透鏡效應是在1979年發現的，至今已經發現了超過一百個引力透鏡。即使這些成像彼此非常接近以至於無法分辨——這種情形被稱作微引力透鏡——這種效應仍然可通過觀測總光強變化測量到，很多微引力透鏡也已經被發現。
引力波
藝術家的構想圖：激光空間干涉引力波探測器LISA對脈衝雙星的觀測是間接證實引力波存在的有力證據(參見上文軌道衰減一節)。已經有相當數量的地面引力波探測器投入運行，最著名的是GEO600、LIGO(包括三架激光干涉引力波探測器)、TAMA300和VIRGO;而美國和歐洲合作的空間激光干涉探測器LISA正處於開發階段，其先行測試計劃LISA探路者(LISAPathfinder)於2009年底之前正式發射升空。
美國科研人員2016年2月11日宣佈，他們利用激光干涉引力波天文臺(LIGO)於去年9月首次探測到引力波。 研究人員宣佈，當兩個黑洞於約13億年前碰撞，兩個巨大質量結合所傳送出的擾動，於2015年9月14日抵達地球，被地球上的精密儀器偵測到。證實了愛因斯坦100年前所做的預測。
對引力波的探測將在很大程度上擴展基於電磁波觀測的傳統觀測天文學的視野，人們能夠通過探測到的引力波信號瞭解到其波源的信息。這些從未被真正瞭解過的信息可能來自於黑洞、中子星或白矮星等緻密星體，可能來自於某些超新星爆發，甚至可能來自宇宙誕生極早期的暴漲時代的某些烙印，例如假想的宇宙弦。
黑洞和其它
基於廣義相對論理論的計算機模擬一顆恆星坍縮爲黑洞並釋放出引力波的過程廣義相對論預言了黑洞的存在，即當一個星體足夠緻密時，其引力使得時空中的一塊區域極端扭曲以至於光都無法逸出。在當前被廣爲接受的恆星演化模型中，一般認爲大質量恆星演化的最終階段的情形包括1.4倍左右太陽質量的恆星演化爲中子星，而數倍至幾十倍太陽質量的恆星演化爲恆星質量黑洞。具有幾百萬倍至幾十億倍太陽質量的超大質量黑洞被認爲定律性地存在於每個星系的中心，一般認爲它們的存在對於星系及更大的宇宙尺度結構的形成具有重要作用。
在天文學上緻密星體的最重要屬性之一是它們能夠極有效率地將引力能量轉換爲電磁輻射。恆星質量黑洞或超大質量黑洞對星際氣體和塵埃的吸積過程被認爲是某些非常明亮的天體的形成機制，著名且多樣的例子包括星系尺度的活動星系核以及恆星尺度的微類星體。在某些特定場合下吸積過程會在這些天體中激發強度極強的相對論性噴流，這是一種噴射速度可接近光速的且方向性極強的高能等離子束。在對這些現象進行建立模型的過程中廣義相對論都起到了關鍵作用，而實驗觀測也爲支持黑洞的存在以及廣義相對論做出的種種預言提供了有力證據。
黑洞也是引力波探測的重要目標之一：黑洞雙星的合併過程可能會輻射出能夠被地球上的探測器接收到的某些最強的引力波信號，並且在雙星合併前的啁啾信號可以被當作一種“標準燭光”從而來推測合併時的距離，並進一步成爲在大尺度上探測宇宙膨脹的一種手段。而恆星質量黑洞等小質量緻密星體落入超大質量黑洞的這一過程所輻射的引力波能夠直接並完整地還原超大質量黑洞周圍的時空幾何信息。
宇宙學
威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)拍攝的全天微波背景輻射的溫度漲落現代的宇宙模型是基於帶有宇宙常數的愛因斯坦場方程建立的，宇宙常數的值對大尺度的宇宙動力學有着重要影響。
這個經修改的愛因斯坦場方程具有一個各向同性並均勻的解：弗裏德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規，在這個解的基礎上物理學家建立了從一百四十億年前熾熱的大爆炸中演化而來的宇宙模型。只要能夠將這個模型中爲數不多的幾個參數(例如宇宙的物質平均密度)通過天文觀測加以確定，人們就能從進一步得到的實驗數據檢驗這個模型的正確性。這個模型的很多預言都是成功的，這包括太初核合成時期形成的化學元素初始丰度、宇宙的大尺度結構以及早期的宇宙溫度在今天留下的“迴音”：宇宙微波背景輻射。
從天文學觀測得到的宇宙膨脹速率可以進一步估算出宇宙中存在的物質總量，不過有關宇宙中物質的本性還是一個有待解決的問題。估計宇宙中大約有90%以上的物質都屬於暗物質，它們具有質量(即參與引力相互作用)，但不參與電磁相互作用，即它們無法(通過電磁波)直接觀測到。在已知的粒子物理或其他什麼理論的框架中還沒有辦法對這種物質做出令人滿意的描述。另外，對遙遠的超新星紅移的觀測以及對宇宙微波背景輻射的測量顯示，我們的宇宙的演化過程在很大程度上受宇宙常數值的影響，而正是宇宙常數的值決定了宇宙的加速膨脹。換句話說，宇宙的加速膨脹是由具有非通常意義下的狀態方程的某種能量形式決定的，這種能量被稱作暗能量，其本性也仍然不爲所知。
在所謂暴漲模型中，宇宙曾在誕生的極早期(～10-33秒)經歷了劇烈的加速膨脹過程。這個在於二十世紀八十年代提出的假說是由於某些令人困惑並且用經典宇宙學無法解釋的觀測結果而提出的，例如宇宙微波背景輻射的高度各向同性，而對微波背景輻射各向異性的觀測結果是支持暴漲模型的證據之一。然而，暴漲的可能的方式也是多樣的，現今的觀測還無法對此作出約束。一個更大的課題是關於極早期宇宙的物理學的，這涉及到發生在暴漲之前的、由經典宇宙學模型預言的大爆炸奇點。對此比較有權威性的意見是這個問題需要由一個完備的量子引力理論來解答，而這個理論至今還沒有建立(參加下文量子引力)。
