驗證狹義相對論的實驗大體上分爲六大類：
①相對性原理的實驗檢驗
②光速不變原理的實驗檢驗
③時間膨脹實驗
④緩慢運動媒質的電磁現象實驗
⑤相對論力學實驗
⑥光子靜止質量上限的實驗
關於相對性原理的實驗檢驗，電動力學和光學的很多例子，特別是運動物體的電磁感應現象，都是很有說服力的，不再贅述，着重說明其餘五大類的驗證實驗。
光速不變性的實驗
首先，同光速不變原理有關的大量實驗已經證明，真空中光速同光源的運動速度和慣性運動狀態無關。定量的測量表明，真空中平均迴路光速с是一個常數，約爲每秒30萬千米(с的精確測量值見基本物理常數)。這類實驗中，最著名的是邁克耳孫-莫雷實驗。這個實驗是在相對論出現之前很久的1881年首先由A.邁克耳孫完成的。1887年邁克耳孫和E.莫雷又用干涉儀以更高的精度重新做了觀測。這個實驗的目的是測量地球相對於以太的運動速度。但實驗結果同以太論的預言相矛盾。狹義相對論建立之後，這個實驗就被看成是光速不變原理和狹義相對性原理以及否定以太論的重要實驗基礎。還要說明一點，現有的實驗(包括邁克耳孫-莫雷實驗)並沒有證明光速是否同方向無關。引入光速同方向無關的假定是爲了定義不同地點的事件的同時性，在沒有其他方法確定這種同時性之前，光速是否同方向無關是無法用實驗判斷的。
多普勒頻移觀測
多普勒頻移的觀測，最高精度已達到0.5%;對介子壽命的觀測，精度約達0.4%;用原子鐘做的實驗精度較低，約10%。這些實驗的結果都同相對論的預言符合。
時間膨脹實驗
在原子鐘環球航行的實驗中，雖然飛機速度遠小於光速，但由於測量精度很高，仍然觀測到了時間膨脹的相對論效應。
運動介質電磁現象
觀測運動介質對光速影響的實驗主要是斐索類型的實驗。這個實驗最初是A.斐索在1851年完成的，證明了運動介質中的光速同靜止介質中的光速不同，而且其差異和愛因斯坦速度相加公式的預言相符。通常把這種現象稱爲“斐索效應”。近年來做的這類實驗中，運動介質的運動方向包括了同光線方向垂直或成布儒斯特角等各種情況，其結果也都同狹義相對論速度相加公式的預言相符。
相對論力學實驗
包括質速關係(慣性質量隨物體運動速度的變化)和質能關係(即E=mс2關係)。質速關係是用電子和質子做的，事實上各種高能質子加速器和電子加速器的設計建造都驗證了質速關係。質能關係主要是通過核反應來進行檢驗，精度達到了百萬分之三十五。荷電粒子的電磁偏轉實驗、迴旋加速器的運轉、高速粒子飛行時間的測量、原子光譜精細結構分裂的解釋等都爲質速關係提供了證據。原子能發電、原子彈和氫彈的實現都以質能關係爲理論基礎。
光子靜質量實驗
有關電子靜止質量的實驗都沒有觀察到光子有靜質量，因此只給出了光子靜質量的上限。對庫侖定律的檢驗給出的上限是1.6×10-47克，根據銀河系旋臂磁場範圍對光子靜質量上限做的估計約爲10-59克。
除了上述六類主要的實驗外，還有其他形式的實驗。所有這些實驗都沒有觀察到同狹義相對論有什麼矛盾。此外，狹義相對論在相對論性量子力學、量子場論、粒子物理學、天文學、天體物理學、相對論性熱力學和相對論性統計力學等領域中的成功應用，也都爲它的正確性提供了豐富的證據。
雖然狹義相對論在理論的邏輯結構和形式上是很優美的，在實驗上已有了非常牢固的基礎，但人們仍對它不斷深入進行研究：理論方面，探討它在新領域中的應用;實驗方面，使用新的觀測方法和提高了測量精度的方法，更精密地檢驗它的正確性。此外還有不少實驗試圖觀察超光速現象，但並沒有得到令人信服的結果。
