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多年后，就在爱因斯坦提出狭义相对论的概念已有五六个星期，但最终论文尚未完成之时，爱因斯坦在给朋友的信中写道：“（狭义相对论的）论证和基本架构经过了很多年的准备。”［9］
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论证最早可以追溯到1895年底或1896年初，当时爱因斯坦16岁。这一思想是以他所谓的“天真的假想实验”形式提出的。（“天真”这一形容词常常被爱因斯坦使用，代表纯真、直接。）这个年轻人问自己：如果我以光速运动时，并去看旁边另一束并行的光线，会怎么样，又会看到什么呢？［10］牛顿说这可能会发生，麦克斯韦说不会。
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我们能不能追上光波？这个问题虽然简单，但是也需要作出回答。不过答案无法用已有的物理学工具得出。这一问题激发了爱因斯坦的不满足感，困惑和好奇心驱使他去寻找问题的答案，提出论证，构建理论。
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爱因斯坦为此苦苦思索了许多年。“必须承认，”他后来向一个朋友说，“狭义相对论的思想最初在我脑海中形成时，我被各种思想上的矛盾困扰着。年少时的我常常连着好几个星期陷入迷惑的状态之中，如同一个人在第一次遇到这个问题时，需要克服而又没能克服的麻木状态。”［11］1905年的一天，爱因斯坦拜访了专利局的同事，也是自己的好友——麦克·贝索（Michele Besso）。他与贝索详细谈论了自己与这一问题“斗争”的历程，然后两人就道别了。然而，在阐述的过程中，爱因斯坦找到了问题的解决办法。第二天，他再次拜访贝索，见面就说：“十分感谢，我已经完全解决了这个问题。”［12］
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结果就是1905年6月，爱因斯坦把论文“On the Electrodynamics of Moving Bodies”提交到了《物理学年鉴》。该论文是有史以来最著名、最重要的论文之一。虽然论文诞生的背后满是苦恼，但论文本身却遵循了一个简单有力的逻辑——“一种深刻的，几乎像孩子一样天真的新鲜方式”［13］，而且相对易于理解。
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“众所周知，”爱因斯坦说，“现在一般人认为，麦克斯韦电动力学原理在应用到运动的物体上时，会得出与现象不符的结果（这些奇怪的结果，更像产自理论的人为假设，而非真实世界中存在的）。”［14］他举例说，从“探测地球相对于‘光介质’的运动的失败尝试”出发，可以推出一个基本假设：“绝对静止”的概念是不存在的。他把这种假设称为“相对性原理”，并把该原理和另一个基本假定——“光波以恒定速度v进行传播，与发射光波的物体运动状态无关”——联系了起来。
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因此，爱因斯坦的论文主要是围绕着解决两个重要原理的矛盾这一逻辑需要而设计的。这两个重要的原理就是相对性原理和光速不变原理。它们“好像又无法相容”，爱因斯坦说，但也仅仅是“好像”。在论文的其余部分，爱因斯坦只通过逻辑推理，就构造出一套“简单统一的动体电动力学”，而无需假定存在以太或其他绝对静止的参考系。怎样才能使两个不同的惯性参考系中的观察者得到同样的光速？爱因斯坦认为需要用到洛伦兹在物体运动方向上对空间和时间使用的修正因子。然而，洛伦兹（及费兹杰拉德）工作的基础是假定以太存在的，同时长度收缩也是的确存在的（以太对分子力的作用）。而爱因斯坦的工作仅仅以相对性原理和光速不变原理这两个假设为基础。也就是说，洛伦兹和费兹杰拉德必须假定以太是存在的才能得出结论，而爱因斯坦完全不用这一假设也能得出同样的结论。正如当时科学家们评论的：“掩盖阴谋之说是不存在的，因为压根儿就没什么可掩盖的。”或者就像费曼津津乐道的：“宇宙的阴谋就是自然定律。”
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爱因斯坦在论文中用“β”代表修正因子，整个推导过程常以最简单的毕达哥拉斯定理的方式呈现。假设两个惯性参考系A和B以相对速度v运动。在惯性参考系A中，光源垂直于运动的方向发出一束光，照到距离为d的一面镜子上，并被反射回来。在惯性参考系A中观察，可以很容易地得出光传播的总距离为2d。但是在惯性参考系B中观察，A中所有的东西，包括光源、镜子，都在以速度v运动，因此光线也传播了更长的距离，为2d′。半光程d′是直角三角形的斜边，两个直角边分别为d和vt′/2，且有（d′）2＝（d）2＋（vt′／2）2。然而，依照第二条原理，无论在A还是在B中观察，光速都应该是c，相同时间内应该传播相同的距离。从而，在A中V（爱因斯坦用此符号表示光速）应该等于2d/t，而在B中V等于2d′/t′。怎样才能得出这样的结果？只有A中的距离和时间在B中看来同时变短才行。那么，要变短多少呢？按照d相对于d′变短的比例就行，也就是d/d′或者t/t′，或者直接称为变换因子β。如果V＝2d／t，则d＝Vt／2；如果V＝2d′／t′，则d′＝Vt′／2。将上式代入毕达哥拉斯定理方程，可以得到β（即我们所求的比例因子t/t′）为
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这篇被称为“狭义相对论”（以区别于爱因斯坦于1915年发表的“广义相对论”）的重要论文发表于1905年9月26日。它颠覆了人们传统的时空观念。这是一篇有着如此重要意义的论文，特别是它的完成是作者在诸多领域热切工作的结果，这意味着作者在写作时一定有很多难以预料的结果。下面这个结果就来得极其迅速。1905年秋季的一天，爱因斯坦在给好友康拉德·哈比希特（Conrad Habicht）的信中写道：
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研究电动力学的一个结论掠过了我的脑海。这就是与麦克斯韦基本方程相联系的相对性原理，要求物体的质量为它所包含的能量的一个直接度量，光也有质量。镭是唯一能观察到的质量减少的例子。这种想法既有趣又迷人，可我知道，全能的上帝对这一切或许嗤之以鼻，或许正是他在牵着我的鼻子转呢。［15］
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这种像美诺的奴隶感受到的那种“被牵着鼻子走”的感觉使爱因斯坦认识到有些看上去是对的，但也还需要进一步研究。
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相对论论文发表后的第二天，爱因斯坦又以“物质的惯性依赖于其能量吗？”（Does the Inertia of a Body Depend Upon its Energy Content?）为题向《物理学年鉴》寄出了一篇三页纸的论文，专门探讨上述问题，这篇论文也于同年发表。科学史学家约翰·里格登（John Rigden）指出，这篇论文并没有开辟出新的领域，只是提出了一个之前的论文中逻辑上还不是很清楚的结论。这一结论本来就可以很自然地成为前一论文的最后一部分。里格登说，果真如此的话，“它将会是一个了不起的结论。”［16］
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在上文的开场白，爱因斯坦以一种谦逊的口吻说：“从本刊新近登出的本人在电动力学方面的研究结果，可以得出有趣的结论。”爱因斯坦通过下面的例子推导出了结论。假设在参考系A中，处于静止状态的一个物体（比如一个原子）的质量为m。m向着相反的方向发射出两束光线（即释放能量）。我们假设总的能量损失为L（和以前的论文一样，爱因斯坦用L表示能量，V表示光速，现在这种记法已经不常用了），那么每束光所携带的能量均为L/2。A中的观察者认为物体的动量没有发生变化，原子仍然处于静止状态。原子将激发态的一些能量释放出来，质量与之前相比没有变化。但对于参考系B中的观察者来说，A是运动的，他看到的情况会有些不同。向前发射的光束比向后发射的光束动量大。这意味着原子的动能有净的减小。只有原子的速度或质量减小时，动能才会减小。而原子速度不变；并且在静止参考系中，没有尺缩效应。唯一其他的可能性就是在运动的参考系中，原子的质量减小了。在原子所在的静止参考系中来看，原子的质量没有增加，“惯性”没有变化。而在假想的运动参考系中来看，原子的“惯性”变化了。那么变化量是多少呢？爱因斯坦用前面论文中的方法算出了转换因子，仍为β。
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爱因斯坦仍然使用现在已不常用的记号L和V，继续写道：
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如果物体通过辐射释放了能量L，它的质量减小L/V2。此处很明显，从物体中发射出的能量是转化成了辐射能量还是其他某种形式的能量并不重要。我们可以得出一个更一般的结论：物体的质量是其能量的度量。［17］
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这就是著名方程E＝mc2出现之前的最初形式。它虽然没有明确采用方程的形式，也没用采用人们熟悉的符号，但已经清晰地体现了具有划时代意义的质量-能量原理。这一概念改变了宇宙结构等一些最基本的概念。它将两个长久以来被认为是完全不同的概念——能量和质量，联系在了一起：能量守恒原理是19世纪物理学上最耀眼的成就，而质量守恒定律则是18世纪科学上的耀眼成就。［18］两者可以相互转化。
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这一理论变革了对客观性的理解。在牛顿时代，能量和质量在不同的惯性参考系中保持不变；在爱因斯坦时代，在低速情况下质量和能量近似保持不变，而在速度接近光速时，二者将发生变化。客观地说，从另一个速度足够快的惯性系观察时，长度和时间在以这样的比例发生变化。［19］
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接下来的几年里，爱因斯坦多次提到这一结论，不过仍然是以描述的方式或使用自己的符号，而不是现在人们熟悉的形式。如在1906年一篇论文的脚注里，爱因斯坦写道：“质量守恒是能量守恒的一种特殊形式。”［20］1907年初，爱因斯坦在另一篇发表在《物理学年鉴》上的论文里用ε代表能量，希腊字母μ代表质量，V代表光速，得到下面的方程：
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这一著名方程（能量等于质量乘以光速的平方）中含有修正因子β，考虑了物体运动时的效应。以电子为例，在静止状态下，所有电子的质量都相同。这个质量是电子的固有属性，在电子产生时就有了。在电子自身的参考系中，不论何时对电子进行称量，电子的质量都保持不变。现在我们假设从一个运动的参考系中观察该电子。如果E＝mc2，且c为常数，那么随着能量的增加，m和E应该具有相同的变化趋势。电子的惯性质量（电子在自身静止参考系中的质量）保持不变。但在实验室中测定的运动电子的质量会有所不同。修正因子β告诉我们应该乘以多大的系数，才能得到电子的惯性质量。如果把修正因子项去掉，就可以得到爱因斯坦在脚注中提到的“简化公式µV2＝ε0”。［21］
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同一年的晚些时间，爱因斯坦将光速的符号由V变成了c。相对论理论所包含的结论具有“极其重要的理论意义”，他说：“在相对论中，物理系统的惯性质量和能量是一回事。提到惯性，惯性质量为µ的物体等价于能量µV2。”［22］在接下来的几年，爱因斯坦得出了更为完整的质能原理和推论。在1912年的一篇有关相对论的手稿中，爱因斯坦在开始讨论质能原理这一论题时，用符号m代替了原来的µ，用L（和最初的写法一样）代替ε，然后又划去，改为E。从此，他一直坚持使用E和c，于是便有了下面这个包含了修正项的广为人知的方程，其中q（有时写作v）表示速度：［23］
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