Створив спеціальну (1905) і загальну (1907–1916) теорії відносності; обґрунтував у рамках теорії відносності закон взаємозв'язку маси і енергії (див. E=mc²). Автор основоположних праць з квантової теорії: ввів поняття фотона, встановив закони фотоефекту, основний закон фотохімії (закон Ейнштейна), передбачив (1916) вимушене випромінювання. Розвинув статистичну теорію броунівського руху, заклавши основи теорії флуктуацій, створив квантову статистику Бозе—Ейнштейна. З 1933 року працював над проблемами космології і єдиної теорії поля.