量子理論
如果說廣義相對論是現代物理學的兩大支柱之一，那麼量子理論作爲我們藉此瞭解基本粒子以及凝聚態物理的基礎理論就是現代物理的另一支柱。然而，如何將量子理論中的概念應用到廣義相對論的框架中仍然是一個未能解決的問題。
量子場論
作爲現代物理中粒子物理學的基礎，通常意義上的量子場論是建立在平直的閔可夫斯基時空中的，這對於處在像地球這樣的弱引力場中的微觀粒子的描述而言是一個非常好的近似。而在某些情形中，引力場的強度足以影響到其中的量子化的物質但不足以要求引力場本身也被量子化，爲此物理學家發展了彎曲時空中的量子場論。這些理論藉助於經典的廣義相對論來描述彎曲的背景時空，並定義了廣義化的彎曲時空中的量子場理論。通過這種理論，可以證明黑洞也在通過黑體輻射釋放出粒子，這即是霍金輻射，並有可能通過這種機制導致黑洞最終蒸發。如前文所述，霍金輻射在黑洞熱力學的研究中起到了關鍵作用。
量子引力
物質的量子化描述和時空的幾何化描述之間彼此不具有相容性，以及廣義相對論中時空曲率無限大(意味着其結構成爲微觀尺度)的奇點的出現，這些都要求着一個完整的量子引力理論的建立。這個理論需要能夠對黑洞內部以及極早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相關的時空幾何需要用量子化的語言來敘述。儘管物理學家爲此做出了很多努力，並有多個有潛質的候選理論已經發展起來，至今人類還沒能得到一個稱得上完整並自洽的量子引力理論。
一個卡拉比-丘流形的投影，由弦理論所提出的緊化額外維度的一種方法量子場論作爲粒子物理的基礎已經能夠描述除引力外的其餘三種基本相互作用，但試圖將引力概括到量子場論的框架中的嘗試卻遇到了嚴重的問題。在低能區域這種嘗試取得了成功，其結果是一個可被接受的引力的有效(量子)場理論，但在高能區域得到的模型是發散的(不可重整化)。
圈量子引力中的一個簡單自旋網絡
試圖克服這些限制的嘗試性理論之一是弦論，在這種量子理論中研究的最基本單位不再是點狀粒子，而是一維的弦。弦論有可能成爲能夠描述所有粒子和包括引力在內的基本相互作用的大統一理論，其代價是導致了在三維空間的基礎上生成六維的額外維度等反常特性。在所謂第二次超弦理論革新中，人們猜測超弦理論，以及廣義相對論與超對稱的統一即所謂超引力，能夠構成一個猜想的十一維模型的一部分，這種模型叫做M理論，它被認爲能夠建立一個具有唯一性定義且自洽的量子引力理論。
另外一種嘗試來自於量子理論中的正則量子化方法。應用廣義相對論的初值形式(參見上文演化方程一節)，其結果是惠勒-得衛特方程(其作用類似於薛定諤方程)。雖然這個方程在一般情形下定義並不完備，但在所謂阿西特卡變量的引入下，從這個方程能夠得到一個很有前途的模型：圈量子引力。在這個理論中空間是一種被稱作自旋網絡的網狀結構，並在離散的時間中演化。
當前進展
在引力和宇宙學的研究中，廣義相對論已經成爲了一個高度成功的模型，至今爲止已經通過了每一次意義明確的觀測和實驗的檢驗。然而即便如此，仍然有證據顯示這個理論並不是那麼完善的：對量子引力的尋求以及時空奇點的現實性問題依然有待解決;實驗觀測得到的支持暗物質和暗能量存在的數據結果也在暗暗呼喚着一種新物理學的建立;而從先驅者號觀測到的反常效應也許可以用已知的理論來解釋，也許則真的是一種新物理學來臨的預告。不過，廣義相對論之中仍然充滿了值得探索的可能性：數學相對論學家正在尋求理解奇點的本性，以及愛因斯坦場方程的基本屬性;不斷更新的計算機正在進行黑洞合併等更多的數值模擬;廣義相對論最後一個預言(引力波)已被證實，人類探測到了引力波，對宇宙的認識將會到達一個新的領域。在愛因斯坦發表他的理論九十多年之後，廣義相對論依然是一個高度活躍的研究領域。
