1905年，愛因斯坦在科學史上創造了壹個史無前例奇跡。這壹年他寫了六篇論文，在3月到9月這半年中，利用在專利局每天八小時工作以外的業余時間，在三個領域做出了四個有劃時代意義的貢獻，他發表了關於光量子說、分子大小測定法、布朗運動理論和狹義相對論這四篇重要論文。
1905年3月，愛因斯坦將自己認為正確無誤的論文送給了德國《物理年報》編輯部。他靦腆的對編輯說：“如果您能在妳們的年報中找到篇幅為我刊出這篇論文，我將感到很愉快。”這篇“被不好意思”送出的論文名叫《關於光的產生和轉化的壹個推測性觀點》。
這篇論文把普朗克1900年提出的量子概念推廣到光在空間中的傳播情況，提出光量子假說。認為：對於時間平均值，光表現為波動；而對於瞬時值，光則表現為粒子性。這是歷史上第壹次揭示了微觀客體的波動性和粒子性的統壹，即波粒二象性。
在這文章的結尾，他用光量子概念輕而易舉的解釋了經典物理學無法解釋的光電效應，推導出光電子的最大能量同入射光的頻率之間的關系。這壹關系10年後才由密立根給予實驗證實。1921年，愛因斯坦因為“光電效應定律的發現”這壹成就而獲得了諾貝爾物理學獎。
這才僅僅是開始，阿爾伯特·愛因斯坦在光、熱、電物理學的三個領域中齊頭並進，壹發不可收拾。1905年4月，愛因斯坦完成了《分子大小的新測定法》，5月完成了《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》。這是兩篇關於布朗運動的研究的論文。愛因斯坦當時的目的是要通過觀測由分子運動的漲落現象所產生的懸浮粒子的無規則運動，來測定分子的實際大小，以解決半個多世紀來科學界和哲學界爭論不休的原子是否存在的問題。
三年後，法國物理學家佩蘭以精密的實驗證實了愛因斯坦的理論預測。從而無可非議的證明了原子和分子的客觀存在，這使最堅決反對原子論的德國化學家、唯能論的創始人奧斯特瓦爾德於1908年主動宣布：“原子假說已經成為壹種基礎鞏固的科學理論”。
1905年6月，愛因斯坦完成了開創物理學新紀元的長論文《論動體的電動力學》，完整的提出了狹義相對論。這是愛因斯坦10年醞釀和探索的結果，它在很大程度上解決了19世紀末出現的古典物理學的危機，改變了牛頓力學的時空觀念，揭露了物質和能量的相當性，創立了壹個全新的物理學世界，是近代物理學領域最偉大的革命。
狹義相對論不但可以解釋經典物理學所能解釋的全部現象，還可以解釋壹些經典物理學所不能解釋的物理現象，並且預言了不少新的效應。狹義相對論最重要的結論是質量守恒原理失去了獨立性，他和能量守恒定律融合在壹起，質量和能量是可以相互轉化的。其他還有比較常講到的鐘慢尺縮、光速不變、光子的靜止質量是零等等。而古典力學就成為了相對論力學在低速運動時的壹種極限情況。這樣，力學和電磁學也就在運動學的基礎上統壹起來。
1905年9月，愛因斯坦寫了壹篇短文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》，作為相對論的壹個推論。質能相當性是原子核物理學和粒子物理學的理論基礎，也為20世紀40年代實現的核能的釋放和利用開辟了道路。
在這短短的半年時間，愛因斯坦在科學上的突破性成就，可以說是“石破天驚，前無古人”。即使他就此放棄物理學研究，即使他只完成了上述三方面成就的任何壹方面，愛因斯坦都會在物理學發展史上留下極其重要的壹筆。愛因斯坦撥散了籠罩在“物理學晴空上的烏雲”，迎來了物理學更加光輝燦爛的新紀元。
廣義相對論的探索
狹義相對論建立後，愛因斯坦並不感到滿足，力圖把相對性原理的適用範圍推廣到非慣性系。他從伽利略發現的引力場中壹切物體都具有同壹加速度這壹古老實驗事實找到了突破口，於1907年提出了等效原理。在這壹年，他的大學老師、著名幾何學家閔可夫斯基提出了狹義相對論的四維空間表示形式，為相對論進壹步發展提供了有用的數學工具，可惜愛因斯坦當時並沒有認識到它的價值。
等效原理的發現，愛因斯坦認為是他壹生最愉快的思索，但以後的工作卻十分艱苦，並且走了很大的彎路。1911年，他分析了剛性轉動圓盤，意識到引力場中歐氏幾何並不嚴格有效。同時還發現洛倫茨變化不是普適的，等效原理只對無限小區域有效……。這時的愛因斯坦已經有了廣義相對論的思想，但他還缺乏建立它所必需的數學基礎。
1912年，愛因斯坦回到蘇黎世母校工作。在他的同班同學、母校任數學教授的格羅斯曼幫助下，他在黎曼幾何和張量分析中找到了建立廣義相對論的數學工具。經過壹年的奮力合作，他們於1913年發表了重要論文《廣義相對論綱要和引力理論》，提出了引力的度規場理論。這是首次把引力和度規結合起來，使黎曼幾何獲得實在的物理意義。
不過他們當時得到的引力場方程只對線性變換是協變的，還不具有廣義相對論原理所要求的任意坐標變換下的協變性。這是由於愛因斯坦當時不熟悉張量運算，錯誤的認為，只要堅持守恒定律，就必須限制坐標系的選擇，為了維護因果性，不得不放棄普遍協變的要求。