广义相对论是关于引力相互作用的理论。在天文现象中，引力作用往往占主导地位。有关广义相对论的一系列的关键性检验，都是由天文观测来完成的。A.爱因斯坦建立广义相对论后，提出了可从三方面来观测检验广义相对论的结论：①弱引力场中的效应。②宇宙学效应。③引力波效应。

利用太阳系引力场观测弱引力场效应的工作，做得最为精细。主要有以下几个方面：

①引力红移。广义相对论预言，从太阳表面发出的谱线与地球上同样原子的谱线相比，波长较长(红移)，移动量等于速度为每秒0.6千米的多普勒效应移动量。20世纪60年代初的检验结果是，观测值为(1.05±0.05)×理论值。美国物理学家R.V.庞德（Robert Vivian Pound 1919-5-16～2010-4-12）、G.A.雷布卡（Glen Anderson Rebka, Jr. 1931～2015-1-13）和J.L.斯奈德（Joseph Lyons Snider）采用穆斯堡尔效应在地面也精确验证了引力红移效应（见引力红移）。

②光线偏转。广义相对论预言，当光线经过太阳引力场后，它的方向要发生偏转，偏转角为：

式中为光线距太阳中心的最短距离（以太阳半径为单位）。利用日全食时观测比较星的位置变化，或者利用太阳遮掩或掠过黄道附近的射电源时观测射电源的位置变化，可以进行这一检验。1975年的观测结果是，其比例系数为(1.007±0.009)×1.75″。

③行星轨道近日点反常进动。在广义相对论建立之前，就知道水星近日点具有牛顿理论所不能解释的反常进动，每百年43.11″。爱因斯坦利用广义相对论计算结果为每百年43.03″，二者几乎相等。其他天体的近日点反常进动值（每百年的值）见表：

④雷达回波的延迟。广义相对论预言，当从地球向地内行星发射雷达信号，并接收其回波时，如果雷达波在太阳附近通过，则回波的时间要比不在太阳附近通过有所延迟。在行星上合时（见行星视运动），作此实验。对水星、金星的观测结果是理论值的1.015倍；对行星探测器“水手”6号、7号的观测结果，也与理论值相符。

（5）坐标拖曳效应。由于天体的自转导致时空性质的变化（见克尔度规）是没有经典力学对应的。例如，一个角动量为零的检验粒子从远处落入克尔时空中，该检验粒子会被时空拖曳，随着中心天体转动起来，该效应称之为坐标拖曳效应。由于天体的自转效应是一种短程效应，因此该效应很小，测量非常困难。美国2004年发射的引力探测器（Gravity Probe B）主要由四个超导陀螺和一个望远镜组成，超导陀螺在地球的极轨道运行，在运动中陀螺的自转轴的指向会由于地球转动导致的坐标拖曳效应而发生进动。2011年公布的实验值是-37.2±7.2毫角秒/年，与广义相对论的理论值-39.2毫角秒/年的误差为19%，这是人类第一次直接验证坐标拖曳效应。

在宇宙学方面最主要的检验是关于宇宙膨胀的预言。1929年发现星系的谱线红移与距离成正比（见哈勃定律），这是对宇宙膨胀学说的一个支持（见大爆炸宇宙学）。关于引力波理论的第一个观测检验是在1978年完成的。射电脉冲星PSR 1913＋16是由两颗致密星构成的双星，对它进行了四年多的监视性观测后，发现它的公转周期系统性地变短，观测值与由引力辐射阻尼理论计算的结果相符合，间接证明了引力波的存在，为此R.A.赫尔斯和J.H.泰勒荣获了1993年的诺贝尔物理学奖。通过测量引力波引起的时空周期性的弯曲效应可以直接测量引力波。在宇宙早期，引力波会影响宇宙微波背景的空间和温度分布，可以利用该效应直接测量宇宙早期的引力波；引力波也会改变脉冲星（宇宙中最精密的钟）与地球间距离的改变，因此可以通过测量脉冲到达地球时间的不同测量引力波。美国激光干涉引力波天文台（LIGO）就是在地面通过测量两个相互垂直方向检验粒子间距离的改变测量引力波。2016年2月11日LIGO项目科学合作组召开新闻发布会，宣布直接探测到了双黑洞并合产生的引力波。引力波的发现可比拟电磁波的发现，是人类历史上重大的科学发现。它的发现，可谓一石五鸟：①直接探测到了引力波，证实了广义相对论的预言。②证实黑洞和双黑洞的存在。③在强引力场条件下，对广义相对论进行了检验。④测量了黑洞的基本参数（质量和自旋）。⑤证实了LIGO精密测量技术的可行性。