Em 1905, o físico alemão Albert Einstein (1879-1955), com apenas 25 anos, levou a hipótese do quantum ainda mais longe. Contrariando todas evidências até o momento de que a luz era uma onda eletromagnética, como descrevia a física clássica, ele deduziu, a partir da teoria do corpo negro de Planck, que a luz seria feita de corpúsculos com energia quantizada. Esses corpúsculos, mais tarde chamados de fótons, permitiram a Einstein explicar o efeito fotoelétrico.

Em 1916, a existência e as propriedades dos fótons foram confirmadas por uma série de experimentos envolvendo o efeito fotoelétrico, conduzidos pelo físico norte-americano Robert Millikan (1868–1953), mesmo ele sendo inicialmente cético quanto à hipótese de Einstein. Por essa descoberta, Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1921 (Millikan, por sua vez, foi premiado em 1923).  

Além disso, Einstein apresentou em 1905 mais outros artigos científicos apresentando ideias revolucionárias, como uma teoria para explicar o movimentação aleatória de corpos microscópicos — o chamado movimento browniano — e a sua teoria da relatividade especial, que resolvia contradições entre a teoria do eletromagnetismo e a mecânica newtoniana, revelando uma nova concepção do espaço e do tempo.

Em 1916,  ele apresentou a teoria da relatividade geral, estendendo a relatividade especial para incluir a força gravitacional. Em 1919, a teoria foi comprovada pela primeira vez pelo astrônomo inglês Arthur Eddington (1882-1944), que registrou o desvio da luz de estrelas  ao passar próximo ao Sol, durante um eclipse solar observado na Ilha Príncipe, na África, e na cidade de Sobral, no Brasil. (Confira nosso especial de Astronomia)

Assim como Planck, Einstein morreu não acreditando que a mecânica quântica pudesse ser uma teoria completa da natureza. Em 1935, ele lançou sua objeção mais importante sobre a teoria, o chamado paradoxo EPR, que confundiu os físicos durante décadas até ser esclarecido por experimentos sobre emaranhamento quântico.