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两个相对运动的观测者不但对于距离的量度而且对于时间间隔也会意见不一。否则的话，他们将对于标志间隔结束和开始的事件之同时性取得一致：而这他们做不到。
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爱因斯坦作了进一步的推论。如果一个观测者静止，而另一个观测者相对于他以恒定的速度v沿固定方向运动——譬如说，运动的观测者在火车上——运动物体上的长度在静止的观测者看来要短些，反之亦然。至于时间，静止的观测者发现相对于地球运动的观测者进展得更慢。运动者的雪茄在静止的观测者看来持续的时间是他自己雪茄的两倍。换一种说法，参考系S′中的一个钟表静止于其中，从另一个参考系S看来，S′中的钟表每秒钟慢（1—1/β），其中反过来也成立。一般说来，两个参考系之间的关系符合洛伦兹变换。此外，除了考虑任何单一的观测者外，时间和空间的度量不能分开，正如对所有的观测者来说不能分开水平距离和垂直距离的量度。
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应该强调的是，当我们讨论不同的观测者度量长度的差别时，我们所谈的不是距离的效果或者视觉错觉。当我们谈论对于时间间隔的不同意见时，也不是在谈论心理或者情感效应。
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现在来考虑一个数量例子。一个地上的观测者会发现，相对于地球以每秒钟161000英里的速度运动的火箭船的大小是船上的人所量大小的一半。而这样一个火箭上的时钟在地球上的观测者衡量来比火箭上的观测者衡量来要慢一半。对于地球上的物体和事件的大小和时间，火箭上的观测者也会得出同样的结论。更进一步，在其自身的时空世界中，两者都是对的。
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这个长度和时间之局域性的信条，是相对性理论的惊世骇俗的新断言之一。观念的陌生性不应使我们看不见这样的事实：比起牛顿绝对时空的观念来，它们更符合实验和我们上面检视过的关于同时性的推理。的确，如果不是这样，科学家们不会坚持片刻，不管是相对性还是绝对性。相对于另一个观测者以速度v运动的观测者所见到的长度和时间关系可以从洛伦兹变换中推导出来。
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狭义相对论的设定的另一个结果涉及速度的叠加。假设一个人在静止的水中以每小时4英里的速度划行，而水流的速度是每小时2英里。总速度是每小时6英里吗？根据狭义相对论却不是这样的。总速度V用一般项来表示就是
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其中u和v是两个速度，这个公式的一个有趣特征是，当u＝c时，V＝c。
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也许狭义相对论隐含的最奇特的推论是任何物体的质量随其速度而增加。爱因斯坦在其1905年的第四篇文章中讨论了这个论题。如果用m来表示相对于观测者静止时物体的质量，其数学表达式是
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其中M是运动物体的质量而v是其速度。怎么会是这样呢？当物体的速度增加时，它的分子当然不会增加。这种结果是出人意外的。可以证明，作为一种很好的近似，质量的增加非常接近静止质量的动能除以c2。粗略地讲，质量的增加等于能量。可以这样说，运动的质量之活动似乎是其质量增加了，其实从物理上讲增加的是一份能量。
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上述质量与能量的关系似乎令人难以置信。但这几乎是我们日常经验的组成部分。我们先来考虑质量向能量的转化。我们都曾用过手电筒。这时我们将电池中的质量转化为光，而光具有能量。光能使玩具辐射计的叶片旋转。很明显，光具有质量，撞击了辐射计。在供暖系统中我们燃烧燃料，我们燃烧汽油推动汽车。这时我们也是将质量转化为能量，正如我们燃烧木头产生热，而热是一种能量形式。实际上光是地球上多数能为我们所用的能量之源。它由植物转化为化学能。在绿色植物的光合作用中，光的能量被捕获，利用来将水、二氧化碳和矿物质转化为氧气和富含能量的有机化合物。
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爱因斯坦曾经提示，在放射性粒子如高速运动的β粒子（电子）中可发现质量的增加，这已经在实验上得到验证。另一种相关的情况是，如果加热粒子，给其提供了能量，质量会增加。
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幸运或不幸的是，还有一个相反的过程。一点物质会通过发出相应量的能量而损失质量。在一种相对无害的情形中，可以减慢粒子的运动，发出能量。不幸的一面是，基本离子的裂变和聚变会放出辐射，这里就有了原子弹的基本概念。
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理解质能等价的一个关键是考虑质量是如何表现自己的。质量的一种基本性质是惯性，即对速度改变的抵抗。为增加速度，必须施加能量；速度越高，改变速度所需能量就越多。根据公式（1），通过增加速度，物体获得了更多的惯性或质量。我们可以用代数来表示：
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右边的第二项是动能除以c2。这样，质量的增加是动能。无论我们说质量随速度而增加，能量有质量或就是质量，或者说能量作用使质量增加，这都是无关紧要的。无论能量的增加是不是动能，同样的事实成立。获得改变的是富含能量的物质之惯性。
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不过，爱因斯坦走得更远。恰好情况是这样，当质量处于静止时，其能量在数量上等于mc2，其中m是物体的静止质量。于是爱因斯坦将公式（1）作为以速度v运动的物质的质量。事实上，他作了推广，论证了E＝mc2，其中E代表质量m（不只是静止质量）中所有能量（用我们的符号来表达就是E＝M（c2））。他还证明，对于辐射能量E必须分配惯性，其等价质量是E/c2。这些结论不是从狭义相对论中推导出的，但是与其一致。如爱因斯坦在其《相对论的含义》（The Meaning of Relativity）一书中所说：“因而质量和能量从本质上说是一样的；他们只是对同一个东西的不同表达。物体的质量不是恒定的，它随能量的改变而变。”
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在日常经验中，我们在质量和能量之间作了人为的区分。它们是用不同的单位来度量的，即克与尔格。E所具有的质量在数量上等于E/c2，其中c是光速。然而，现在看来更加肯定的是：质量和能量是度量同一个东西的两种方式。如果有人反对说，不应该混淆，它们是有区别的两种性质，那么我们应该理解，它们不是感官可感的性质而是数学术语，表达了更可直接把握的性质（即质量和速度）之组合。
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尽管爱因斯坦继续思考力学、电磁学和其他的课题，在其后来的研究中他受了赫曼·闵科夫斯基（Hermann Minkowski, 1864—1909）的强烈影响。后者是他在联邦技术学院（苏黎世理工学院）的名教授。闵科夫斯基在1908年说过：
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我愿意展现在你们面前的时空观是从实验物理学的土壤中生发出的，其力量就在于那里。这种时空观是激进的。从今以后，空间自身和时间自身命定会消失成影子，只有两者的一种结合才能维护一种独立的实在。
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闵科夫斯基同意：事实是这样，我们怀有这样一种时间观：它独立于任何空间观念，持续流动。尽管如此，当我们观测自然界中的事件时，我们同时经验（experience）到时间和空间。此外，时间本身总是用空间手段来度量的，例如用钟表指针经过的距离或单摆经过空间的摆动。而且，我们度量空间的方法必然涉及时间。即使度量距离的最简单的方法中，即用一根测杆，在度量期间时间在流逝。因而，对于时间的自然的看法应该是将空间和时间结合起来；世界是四维时空的连续统。
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对于两个事件的时空间距的空间和时间部分，不同的观测者会得出不同的测量结果。这是事实，但如果我们考虑的是三维空间自身，这并不出人意外。在地球上不同地区的两个人看到的是同一个三维空间，但其中一人将其所经验的空间分成垂直和水平方向，这与另一人的水平和垂直方向不同。尽管如此，我们还是将空间看成三维的整体，而不是水平和垂直范围的人为组合。同理，不同的观测者也会将时空分解成不同的时间和空间部分。这种分解对于作出这种分解的人来说，与正在走下一段楼梯的人对于水平和垂直方向的区分同样真实和必要。作为人类，我们作出区分，而大自然将空间和时间一起呈现。实际上我们在日常生活中有时也混同时间和空间。我们说一颗星星多少光年远，就是说这颗星星与光在这些年里所经过的距离一样远。火车时刻表也是地方和时间的组合。
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