Với việc phát hiện ra thuyết tương đối đặc biệt của Henri Poincaré và Albert Einstein, năng lượng được đề xuất là một thành phần của một vectơ 4 động lượng năng lượng. Mỗi trong bốn thành phần (một năng lượng và ba động lượng) của vectơ này được bảo toàn riêng biệt theo thời gian, trong bất kỳ hệ kín nào, như được thấy từ bất kỳ hệ qui chiếu quán tính nào. Cũng được bảo toàn là chiều dài vectơ (chỉ tiêu Minkowski), là phần còn lại của các hạt đơn lẻ và khối lượng bất biến cho các hệ hạt (trong đó mô men và năng lượng được tính riêng trước khi độ dài được tính toán xem bài báo về khối lượng bất biến).

Năng lượng tương đối tính của một hạt lớn duy nhất chứa một thuật ngữ liên quan đến khối lượng nghỉ của nó bên cạnh động năng của chuyển động. Trong giới hạn của động năng bằng không (hoặc tương đương trong hệ qui chiếu nghỉ) của một hạt lớn, hoặc trong hệ qui chiếu tâm động lượng cho các vật hoặc hệ có động năng, tổng năng lượng của hạt hoặc vật (kể cả động năng nội tại của hệ) có liên quan đến khối lượng nghỉ của nó hoặc khối lượng bất biến của nó thông qua phương trình nổi tiếng E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} .

Do đó, quy luật bảo toàn năng lượng theo thời gian trong thuyết tương đối đặc biệt tiếp tục được duy trì, miễn là hệ qui chiếu của người quan sát không thay đổi. Điều này áp dụng cho tổng năng lượng của các hệ thống, mặc dù các nhà quan sát khác nhau không đồng ý với giá trị năng lượng. Cũng được bảo toàn và bất biến đối với tất cả các nhà quan sát, là khối lượng bất biến, là khối lượng và năng lượng hệ thống tối thiểu mà bất kỳ người quan sát nào có thể nhìn thấy, và được xác định bởi mối quan hệ xung lượng năng lượng.

Trong thuyết tương đối rộng, bảo toàn động lượng của năng lượng không được xác định rõ trừ một số trường hợp đặc biệt. Động lượng năng lượng thường được biểu thị với sự trợ giúp của một giả hành động lực căng thẳng. Tuy nhiên, vì các giả ngẫu nhiên không phải là tenxơ, chúng không biến đổi sạch giữa các hệ qui chiếu. Nếu số liệu đang xem xét là tĩnh (nghĩa là không thay đổi theo thời gian) hoặc bằng phẳng không có triệu chứng (nghĩa là ở một khoảng cách vô tận cách xa không thời gian trông trống rỗng), thì bảo toàn năng lượng không có những cạm bẫy lớn. Trong thực tế, một số số liệu như chỉ số Friedmann về Lemaîtreọt Robertsonifer Walker không thỏa mãn những hạn chế này và bảo toàn năng lượng không được xác định rõ.[24] Lý thuyết tương đối rộng để lại câu hỏi liệu có sự bảo toàn năng lượng cho toàn bộ vũ trụ hay không.