Existe una relación íntima entre los campos de la física de partículas y la cosmología, que ha sido ejemplificada por una larga línea de físicos que trabajan en ambos simultáneamente: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne y muchos otros. La cosmología es el estudio del universo y su estructura, mientras que la física de partículas es el estudio de partículas fundamentales como quarks y fotones, los objetos más pequeños conocidos. Aunque al principio pueden parecer tan desconectadas como cualquier otra cosa, la cosmología y la física de partículas están, de hecho, estrechamente vinculadas.
A diferencia de los sistemas complejos de la Tierra, que se describen en gran medida utilizando explicaciones de nivel superior en lugar de propiedades que surgen de los niveles más bajos, los fenómenos intergalácticos y cosmológicos son comparativamente más simples. Por ejemplo, en las vastas distancias del espacio, solo una de las cuatro fuerzas de la naturaleza tiene alguna influencia real: la gravedad. Aunque las estrellas y las galaxias están muy lejos y son muchas veces más grandes que nosotros, tenemos una imagen notablemente precisa de cómo funcionan, derivada de las leyes físicas fundamentales que dirigen sus partículas constituyentes.
El dominio de la cosmología más estrechamente relacionado con la física de partículas es el estudio del Big Bang, la gigantesca explosión que creó toda la materia del universo y el espacio-tiempo del que está compuesto el propio universo. El Big Bang comenzó como un punto de densidad casi infinita y volumen cero: una singularidad. Luego, se expandió rápidamente al tamaño de un núcleo atómico, que es donde entra en juego la física de partículas. Para comprender cómo los primeros momentos del Big Bang influyeron en el universo tal como es hoy, debemos usar lo que sabemos sobre física de partículas para crear modelos cosmológicos plausibles.
Una de las motivaciones para crear aceleradores de partículas cada vez más potentes es realizar experimentos que simulen las circunstancias físicas lo antes posible en la historia del universo, cuando todo era muy compacto y caliente. Los cosmólogos deben estar bien versados en física de partículas para hacer contribuciones significativas al campo.
Otra clave para comprender la relación entre la física de partículas y la cosmología es observar el estudio de los agujeros negros. Las propiedades físicas de los agujeros negros son relevantes para el futuro a largo plazo del cosmos. Los agujeros negros son estrellas colapsadas con una gravedad tan inmensa que ni siquiera la luz puede escapar de su alcance. Durante un tiempo, se pensó que los agujeros negros no emitían radiación y que habrían sido eternos, una paradoja para los físicos. Pero Stephen Hawking teorizó, basándose en conocimientos de la física de partículas, que los agujeros negros sí emiten radiación, que a partir de entonces se denominó radiación de Hawking.
La física de partículas también es muy relevante en las investigaciones de la materia oscura, materia invisible cuya existencia se conoce por su influencia gravitacional sobre la materia visible, y la energía oscura, una fuerza misteriosa que impregna el universo y hace que su expansión se acelere. Éstas son preguntas centrales en la cosmología moderna.