Υπάρχει μια στενή σχέση μεταξύ των πεδίων της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας, η οποία αποδεικνύεται από μια μακρά σειρά φυσικών που εργάζονται και στα δύο ταυτόχρονα: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne και πολλοί άλλοι. Η κοσμολογία είναι η μελέτη του σύμπαντος και της δομής του, ενώ η σωματιδιακή φυσική είναι η μελέτη θεμελιωδών σωματιδίων όπως τα κουάρκ και τα φωτόνια, τα μικρότερα γνωστά αντικείμενα. Αν και στην αρχή μπορεί να φαίνονται τόσο ασύνδετα όσο τίποτα μπορεί να είναι, η κοσμολογία και η σωματιδιακή φυσική είναι στην πραγματικότητα στενά συνδεδεμένα.
Σε αντίθεση με τα πολύπλοκα συστήματα στη Γη, τα οποία περιγράφονται πολύ χρησιμοποιώντας εξηγήσεις υψηλότερου επιπέδου αντί για ιδιότητες που προκύπτουν από τα χαμηλότερα επίπεδα, τα διαγαλαξιακά και κοσμολογικά φαινόμενα είναι συγκριτικά πιο απλά. Για παράδειγμα, στις τεράστιες αποστάσεις του διαστήματος, μόνο μία από τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης έχει πραγματική επιρροή: η βαρύτητα. Αν και τα αστέρια και οι γαλαξίες είναι πολύ μακριά και πολλές φορές μεγαλύτεροι από εμάς, έχουμε μια αξιοσημείωτα ακριβή εικόνα του πώς λειτουργούν, που προέρχεται από θεμελιώδεις φυσικούς νόμους που κατευθύνουν τα συστατικά τους σωματίδια.
Ο τομέας της κοσμολογίας που συνδέεται στενότερα με τη σωματιδιακή φυσική είναι η μελέτη της Μεγάλης Έκρηξης, της γιγαντιαίας έκρηξης που δημιούργησε όλη την ύλη στο σύμπαν και τον χωροχρόνο από τον οποίο αποτελείται το ίδιο το σύμπαν. Το Big Bang ξεκίνησε ως ένα σημείο σχεδόν άπειρης πυκνότητας και μηδενικού όγκου: μια μοναδικότητα. Στη συνέχεια, επεκτάθηκε γρήγορα στο μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα, όπου η σωματιδιακή φυσική μπαίνει στο παιχνίδι. Για να κατανοήσουμε πώς οι πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης επηρέασαν το σύμπαν όπως είναι σήμερα, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε όσα γνωρίζουμε για τη σωματιδιακή φυσική για να δημιουργήσουμε εύλογα κοσμολογικά μοντέλα.
Ένα από τα κίνητρα για τη δημιουργία όλο και πιο ισχυρών επιταχυντών σωματιδίων είναι η διεξαγωγή πειραμάτων που προσομοιώνουν τις φυσικές συνθήκες όσο το δυνατόν νωρίτερα στην ιστορία του σύμπαντος, όταν όλα ήταν πολύ συμπαγή και ζεστά. Οι κοσμολόγοι πρέπει να είναι καλά γνώστες της σωματιδιακής φυσικής για να έχουν σημαντική συνεισφορά στο πεδίο.
Ένα άλλο κλειδί για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας είναι να εξετάσουμε τη μελέτη των μαύρων τρυπών. Οι φυσικές ιδιότητες των μαύρων τρυπών σχετίζονται με το μακροπρόθεσμο μέλλον του σύμπαντος. Οι μαύρες τρύπες είναι αστέρια που έχουν καταρρεύσει με τέτοια τεράστια βαρύτητα που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από την σύλληψη τους. Για λίγο, θεωρήθηκε ότι οι μαύρες τρύπες δεν εκπέμπουν ακτινοβολία και θα ήταν αιώνιο, ένα παράδοξο για τους φυσικούς. Αλλά ο Stephen Hawking θεώρησε, με βάση τις γνώσεις από τη σωματιδιακή φυσική, ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν πράγματι ακτινοβολία, η οποία στη συνέχεια ονομάστηκε ακτινοβολία Hawking.
Η σωματιδιακή φυσική είναι επίσης πολύ σχετική με τις έρευνες της σκοτεινής ύλης, της αόρατης ύλης της οποίας η ύπαρξη είναι γνωστή λόγω της βαρυτικής της επίδρασης στην ορατή ύλη και της σκοτεινής ενέργειας, μιας μυστηριώδους δύναμης που διαπερνά το σύμπαν και προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του. Αυτά είναι κεντρικά ερωτήματα στη σύγχρονη κοσμολογία.