A dilatação do tempo observada devido à velocidade relativa decorre de uma relatividade especial. Se dois observadores, Janet e Jim, estão se movendo em direções opostas e, ao passar um pelo outro, notam que o relógio da outra pessoa está correndo mais devagar que o seu. Se Judy estivesse correndo ao lado de Janet na mesma velocidade e na mesma direção, seus relógios estariam correndo. no mesmo ritmo, enquanto Jim, indo na direção oposta, vê os dois tendo um ritmo mais lento relógios. O tempo parece passar mais devagar para a pessoa que está sendo observada do que para o observador.
A dilatação do tempo por estar a diferentes distâncias de uma massa gravitacional é descrita na teoria geral da relatividade. Quanto mais perto você estiver de uma massa gravitacional, mais devagar o relógio parece estar correndo para um observador mais distante da massa. Quando uma espaçonave se aproxima de um buraco negro de massa extrema, os observadores veem o tempo diminuindo a velocidade para eles.
Essas duas formas de dilatação do tempo se combinam para um satélite orbitando um planeta. Por um lado, sua velocidade relativa para os observadores no solo diminui o tempo para o satélite. Mas a maior distância do planeta significa que o tempo passa mais rápido no satélite do que na superfície do planeta. Esses efeitos podem se cancelar, mas também podem significar que um satélite inferior possui relógios que funcionam mais lentamente em relação à superfície, enquanto os satélites de órbita mais alta têm relógios funcionando mais rapidamente em relação ao superfície.
Os efeitos da dilatação do tempo são usados frequentemente em histórias de ficção científica, que remontam a pelo menos a década de 1930. Um dos primeiros e mais conhecidos experimentos mentais a apresentar dilatação do tempo é o famoso Twin Paradox, que demonstra os efeitos curiosos da dilatação do tempo ao máximo.
A dilatação do tempo se torna mais aparente quando um dos objetos se move quase à velocidade da luz, mas se manifesta em velocidades ainda mais lentas. Aqui estão apenas algumas maneiras pelas quais sabemos que a dilatação do tempo realmente ocorre: