Viteza relativă se referă la viteza și direcția unui obiect în raport cu o altă referință. Nu există o referință standard pentru o viteză relativă; cu toate acestea, unele referințe, cum ar fi terenul, sunt mult mai convenabile decât altele. Datorită acestui principiu, este posibil să se descrie același obiect ca având mai multe viteze diferite, fiecare cu un cadru de referință diferit. Viteza luminii nu este însă o viteză relativă în acest sens.
De obicei, toate vitezele trebuie să fie relativ la un cadru de referință inerțial. Orice cadru de referință în spațiu care nu accelerează este la fel de potrivit. Suprafața Pământului este o bună aproximare pentru un cadru de referință inerțial atunci când distanțele implicate nu sunt prea mari. Acest lucru se datorează faptului că zonele mici ale acestuia par a fi plate și staționare; adică obiectele par să fie în repaus atunci când se mișcă cu aceeași viteză cu solul. Când distanțele devin prea mari, nu mai are sens să se dea viteze în raport cu pământul – din cauza rotației Pământului, diferite părți ale globului se mișcă în direcții diferite.
De exemplu, se înțelege că o viteză de 70 mile (112.7 km) pe oră pe autostradă este relativă la solul „staționar”. Acest lucru se datorează faptului că suprafața Pământului se rotește în jurul miezului său, iar Pământul călătorește în jurul Soarelui. Sistemul Solar însuși se învârte în jurul centrului galaxiei Căii Lactee și așa mai departe. Prin urmare, o viteză este utilă numai atunci când este relativă la un cadru de referință. O limită de viteză pe autostradă este de fapt o limită de viteză relativă.
Astronomul danez Ole Christensen Rømer a măsurat pentru prima dată viteza luminii în 1676. El a comparat timpul necesar luminii pentru a călători de pe luna Io a lui Jupiter, când Pământul se afla la diferite distanțe de acesta. Când Pământul era mai departe de Jupiter, a durat mult mai mult până când lumina să sosească. Fără să știe Rømer, însă, lumina nu se comportă în același mod în care se comportă materia obișnuită. Viteza luminii și a tuturor radiațiilor electromagnetice este constantă, indiferent de cine o observă.
În 1905, fizicianul german Albert Einstein a propus teoria conform căreia mișcarea unui observator nu afectează viteza luminii. Această descoperire a servit drept bază pentru teoria relativității speciale. Implicațiile sale, deși nu sunt vizibile în mod obișnuit în viața de zi cu zi, sunt de mare anvergură în domeniul fizicii. În esență, principiul înseamnă că viteza luminii nu este o viteză relativă în sensul anterior. Mai degrabă, timpul însuși depinde de mișcarea observatorului.