Există o relație intimă între domeniile fizicii particulelor și cosmologiei, care a fost exemplificată de un lung șir de fizicieni care lucrează în ambele simultan: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne și mulți alții. Cosmologia este studiul universului și al structurii sale, în timp ce fizica particulelor este studiul particulelor fundamentale, cum ar fi quarcii și fotonii, cele mai mici obiecte cunoscute. Deși la început pot părea atât de neconectate pe cât poate fi orice, cosmologia și fizica particulelor sunt de fapt strâns legate.
Spre deosebire de sistemele complexe de pe Pământ, care pot fi descrise mult folosind explicații de nivel superior, mai degrabă decât proprietățile care apar de la cele mai joase niveluri, fenomenele intergalactice și cosmologice sunt comparativ mai simple. De exemplu, pe distanțe mari ale spațiului, doar una dintre cele patru forțe ale naturii are vreo influență reală: gravitația. Deși stelele și galaxiile sunt foarte îndepărtate și de multe ori mai mari decât noi înșine, avem o imagine remarcabil de precisă a modului în care funcționează, derivată din legile fizice fundamentale care direcționează particulele lor constitutive.
Domeniul cosmologiei cel mai strâns legat de fizica particulelor este studiul Big Bang-ului, explozia gigantică care a creat toată materia din univers și spațiu-timpul din care este compus universul însuși. Big Bang-ul a început ca un punct de densitate aproape infinită și volum zero: o singularitate. Apoi, s-a extins rapid la dimensiunea unui nucleu atomic, care este locul în care intră în joc fizica particulelor. Pentru a înțelege modul în care primele momente ale Big Bang-ului au influențat universul așa cum este astăzi, trebuie să folosim ceea ce știm despre fizica particulelor pentru a crea modele cosmologice plauzibile.
Una dintre motivațiile pentru crearea acceleratoarelor de particule din ce în ce mai puternice este efectuarea de experimente care simulează circumstanțele fizice cât mai devreme posibil în istoria universului, când totul era foarte compact și fierbinte. Cosmologii trebuie să fie bine versați în fizica particulelor pentru a aduce contribuții semnificative în domeniu.
O altă cheie pentru înțelegerea relației dintre fizica particulelor și cosmologie este să se uite la studiul găurilor negre. Proprietățile fizice ale găurilor negre sunt relevante pentru viitorul pe termen lung al cosmosului. Găurile negre sunt stele prăbușite cu o gravitație atât de imensă încât nici măcar lumina nu le poate scăpa din strângere. Pentru o vreme, s-a crezut că găurile negre nu emit radiații și ar fi fost eterne, un paradox pentru fizicieni. Dar Stephen Hawking a teoretizat, pe baza unor perspective din fizica particulelor, că găurile negre emit într-adevăr radiații, care ulterior a fost numită radiație Hawking.
Fizica particulelor este, de asemenea, foarte relevantă în investigațiile materiei întunecate, materiei invizibile a cărei existență este cunoscută datorită influenței gravitaționale asupra materiei vizibile și energia întunecată, o forță misterioasă care pătrunde în univers și provoacă accelerarea expansiunii sale. Acestea sunt întrebări centrale în cosmologia modernă.