如果说广义相对论是现代物理学的两大支柱之一，那么量子理论作为我们借此了解基本粒子以及凝聚态物理的基础理论就是现代物理的另一支柱。然而，如何将量子理论中的概念应用到广义相对论的框架中仍然是一个未能解决的问题。 物质的量子化描述和时空的几何化描述之间彼此不具有相容性，以及广义相对论中时空曲率无限大（意味着其结构成为微观尺度）的奇点的出现，这些都要求着一个完整的量子引力理论的建立。这个理论需要能够对黑洞内部以及极早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。尽管物理学家为此做出了很多努力，并有多个有潜质的候选理论已经发展起来，至今人类还没能得到一个称得上完整并自洽的量子引力理论。
一个卡拉比-丘流形的投影，由弦理论所提出的紧化额外维度的一种方法量子场论作为粒子物理的基础已经能够描述除引力外的其余三种基本相互作用，但试图将引力概括到量子场论的框架中的尝试却遇到了严重的问题。在低能区域这种尝试取得了成功，其结果是一个可被接受的引力的有效（量子）场理论，但在高能区域得到的模型是发散的（不可重整化）。
圈量子引力中的一个简单自旋网络
试图克服这些限制的尝试性理论之一是弦论，在这种量子理论中研究的最基本单位不再是点状粒子，而是一维的弦。弦论有可能成为能够描述所有粒子和包括引力在内的基本相互作用的大统一理论，其代价是导致了在三维空间的基础上生成六维的额外维度等反常特性。在所谓第二次超弦理论革新中，人们猜测超弦理论，以及广义相对论与超对称的统一即所谓超引力，能够构成一个猜想的十一维模型的一部分，这种模型叫做M理论，它被认为能够建立一个具有唯一性定义且自洽的量子引力理论。
另外一种尝试来自于量子理论中的正则量子化方法。应用广义相对论的初值形式（参见上文演化方程一节），其结果是惠勒-得卫特方程（其作用类似于薛定谔方程）。虽然这个方程在一般情形下定义并不完备，但在所谓阿西特卡变量的引入下，从这个方程能够得到一个很有前途的模型：圈量子引力。在这个理论中空间是一种被称作自旋网络的网状结构，并在离散的时间中演化。

相对论的应用

相对论如今主要应用于天文学方面，下面是详细的介绍：
现代天文学又被称作相对论天文学，那是因为整个现代天文学系统各个领域的发展都必须依靠相对论作为理论工具，主要依靠的是广义相对论。

　　据国家天文台研究员李竞介绍，在狭义相对论出现之前，天文学更多地集中于观测，和理论物理没有多少关系。当狭义相对论刚出来的时候，天文学家觉得这是电动力学的事，跟天文挂不上边。但到了1915年广义相对论诞生之后，由于它的表述用到了极其深奥的数学工具，绝大多数天文学家又根本看不懂它，更不用说是去理解它。这就是广义相对论出来之初和者极寡的原因所在。也因此，在1929年之前，相对论并没有对天文学的发展起到什么作用。但在1929年之前，用牛顿力学解释天文学观测结果的方法已经出现了危机。最先的阴影就是水星的进动，即天文学家用牛顿力学计算得到的水星运行轨迹和实际观测的结果不符。一开始人们以为存在一颗水内行星，甚至已经为它起好了名字“祝融星”。于是大家用望远镜去寻找它，由于旁边存在太过明亮的太阳，寻找水内行星是很艰难的一件事。天文学家为此吃尽了苦头，也没有找到这颗实际上并不存在的“祝融星”。

　　当爱因斯坦用他的广义相对论来对水星的运行轨迹进行计算时，他发现，由于水星的运行速度太快，已经必须考虑其相对论效应，牛顿力学已经不适应对它进行描述。相对论很好地解释了水星的进动现象。重新认识宇宙

　　随后爱因斯坦试着用广义相对论来考察宇宙，得到了同用牛顿力学计算完全不同的结果：当恒星的运行速度达到接近光速、相互距离达到上亿光年时，牛顿力学已经无法下手。从大尺度考察宇宙，得到的结果是宇宙不可能稳定。这远远超出了牛顿力学的计算范围。相对论得到了与牛顿力学指导下的经典宇宙观完全不同的动态宇宙进一步研究将得到令牛顿时期无法想像的一个结论：动态宇宙必然有着起源、演化和未来。也就是说，我们的宇宙和时间有一个起点，并且也不一定是永恒的。这成了20世纪、也是有史以来人类对客观世界认识的最大改变。从此，相对论和天文学中的最后一个领域——宇宙学——相结合，指导了现代天文学近百年的发展，指导了今天人类对宇宙的认识。

　　“今天我们观测哪颗恒星或者类星体离我们多远、谈论暗物质和暗能量、黑洞等等，所有的一切都离不开相对论。”李竞说，“爱因斯坦为我们建立了一个很好的框架，沿着他给出的道路，后世的科学家在不同的领域里进一步认识我们的这个世界