La dilatazione del tempo vista a causa della velocità relativa deriva dalla relatività speciale. Se due osservatori, Janet e Jim, si muovono in direzioni opposte e mentre si incrociano, notano che l'orologio dell'altra persona sta ticchettando più lentamente del proprio. Se Judy stesse correndo accanto a Janet alla stessa velocità nella stessa direzione, i loro orologi ticchetterebbero allo stesso ritmo, mentre Jim, andando nella direzione opposta, vede entrambi avere un ticchettio più lento orologi. Il tempo sembra passare più lentamente per la persona osservata che per l'osservatore.
La dilatazione del tempo dovuta all'essere a diverse distanze da una massa gravitazionale è descritta nella teoria generale della relatività. Più sei vicino a una massa gravitazionale, più lenta sembra che il tuo orologio ticchetti a un osservatore più lontano dalla massa. Quando un'astronave si avvicina a un buco nero di massa estrema, gli osservatori vedono il tempo rallentare fino a gattonare per loro.
Queste due forme di dilatazione del tempo si combinano per un satellite in orbita attorno a un pianeta. Da un lato, la loro velocità relativa rispetto agli osservatori a terra rallenta il tempo per il satellite. Ma la maggiore distanza dal pianeta significa che il tempo passa più velocemente sul satellite che sulla superficie del pianeta. Questi effetti possono annullarsi a vicenda, ma possono anche significare che un satellite inferiore ha orologi a funzionamento più lento rispetto alla superficie, mentre i satelliti in orbita più elevata hanno orologi che corrono più velocemente rispetto al superficie.
Gli effetti della dilatazione del tempo sono usati spesso nelle storie di fantascienza, risalenti almeno agli anni '30. Uno dei primi e più noti esperimenti di pensiero per caratterizzare la dilatazione del tempo è il famoso Twin Paradox, che dimostra i più curiosi effetti della dilatazione del tempo nella sua forma più estrema.
La dilatazione del tempo diventa più evidente quando uno degli oggetti si muove a quasi la velocità della luce, ma si manifesta a velocità ancora più lente. Ecco alcuni modi in cui sappiamo che la dilatazione temporale ha effettivamente luogo: