De meest tot de verbeelding sprekende wetenschappelijke theorie van de 20e eeuw was de relativiteitstheorie van Albert Einstein (1879-1955), waarin de grondslag werd gelegd voor een nieuwe visie op de grondslagen van de natuurkunde en de kosmologie (1905 en 1916).
In dezelfde tijd stelde de Nieuw-Zeelander Ernest Rutherford (1871-1937) het atoommodel op dat in grote lijnen nog steeds geldig is: een kleine kern bestaande uit elektrisch positief geladen protonen en ongelaten neutronen, met daaromheen een wolk van negatief geladen elektronen. In de jaren ’20 ontwikkelde de Deen Niels Bohr (1885-1962) de kwantummechanica, volgens welke de wereld bestaat uit entiteiten die zich nu eens voordoen als deeltjes, dan weer als velden. De 19e-eeuwse fysica, die uitging van een geordend wereldbeeld van materie en deeltjes aan de ene kant en golven en velden aan de andere, was op die manier vervangen door een wereld die in laatste instantie bestond uit zoiets ongrijpbaars als ‘waarschijnlijkheidsfuncties’.
Kende men nu in grote lijnen de opbouw van de microkosmos, ook kreeg men een beter inzicht in de structuur van de macrokosmos. In 1924 bewees de Amerikaan E.J. Hubble (1889-1953) dat de zogenaamde ‘nevels’ in werkelijkheid zeer ver weg gelegen sterrenstelsels zoals onze melkweg zijn en in 1929 toonde hij aan dat het heelal met grote snelheid uitdijt en dat het dus een begin gehad moet hebben. Hieruit ontstond de tegenwoordig vrijwel algemeen aanvaarde theorie van de ‘big bang’ of oerknal.
Tegelijk werd de zekerste aller wetenschappen, de wiskunde, van haar fundamenten beroofd. In 1931 formuleerde de jonge Oostenrijkse wiskundige Kurt Gödel (1906-1978) de ‘onvolledigheidstelling’, die zegt dat elk wiskundige systeem onvermijdelijk paradoxen bevat, dat wil zeggen twee elkaar uitsluitende beweringen waarvan niet aangetoond kan worden welke juist is en welke onjuist. Door de ‘stelling van Gödel’ werd de wiskundige wereld geschokt als nooit tevoren: zelfs wiskunde bleek uiteindelijk uit te lopen op tegenstrijdigheden.
Grote vooruitgang werd in de 20e eeuw geboekt op medisch gebied wat grote gevolgen had voor de volksgezondheid. In de jaren ’20 en ’30 werden allerlei antibiotica ontwikkeld, zoals penicilline in 1928, en overal kwamen grootschalige inentingsprogramma’s op gang tegen ziekten als difteritis en tyfus. Zeer belangrijk was de ontwikkeling van de endocrinologie (leer der hormonen), met o.a. de ontdekking van insuline in 1922.
