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爱因斯坦提出广义相对论之后，绝大多数科学家都不相信这个理论，因此必须提出验证的方法。爱因斯坦当时就指出，通过测量和计算行星轨道近日点的进动，引力场中光线的弯曲，星系光谱线的引力红移等三项观测和实验可以验证广义相对论。后来科学家又从雷达回波延迟和脉冲双星观察等实验也证实了广义相对论的正确性。
一、水星近日点的进动
水星是距太阳最近的一颗行星，按牛顿的理论，它的运行轨道应当是一个封闭的椭圆。实际上水星的轨道，每转一圈它的长轴也略有转动。长轴的转动，称为进动。经过观察得到水星进动的速率为每百年1°33′20″，而天体力学家根据牛顿引力理论计算，水星进动的速率为每百年1°32′37″。两者之差为每百年43″，这已在观测精度不容许忽视的范围了。
为了给这个差异一个合理的解释，曾经成功地预言过海王星存在的天文学家勒维耶预言在太阳附近还有一颗未被发现的小行星。由于这颗小行星的作用，导致了水星“多余”进动。经过多年仔细的搜索，无人发现这颗小行星。看来勒维耶的神算这一次落空了。
原因在哪里？原来在牛顿力学里，行星自转是不参与引力相互作用的。在牛顿的万有引力公式中只有物体的质量因子，而没有自转量，即太阳对行星的引力大小只与太阳和行星的质量有关，而与它们的自转快慢无关。
但是，在广义相对论里，引力不仅与物体的质量因子有关，而且也与物体的自转快慢有关。两个没有自转的物体之间的引力与它们自转起来之后的引力是不同的。这一效应会引起自转轴的进动，行星在运动过程中，它的自转轴会慢慢变化。对于太阳系的行星来说这个效应太小了，不易被察觉，更何况还有其他的因素也会造成行星自转轴的变化。
根据爱因斯坦引力场方程计算得到的水星轨道近日点进动的理论值与观测值相当符合。此外，后来观测到的地球、金星等行星近日点的进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好。
二、引力场中光线的弯曲
根据广义相对论，引力场中光线会发生弯曲的现象。不过这种偏转很小，在地球上不容易观测到。通过光线弯曲现象的测量，有可能验证广义相对论。1911年，爱因斯坦就在理论上预言了这一现象。他认为，利用日全食的特殊时机，测量日全食时通过太阳表面附近引力场的某一星球的一束星光，再与平时这些星球的位置相比较，就可以测出偏转的程度。当时爱因斯坦算出的偏转角为0.83″（这个数据是正确数据1.7″的一半），柏林的天文学家弗劳因德利希决定验证爱因斯坦的预言。
1914年8月，在俄国克里米亚半岛可以观察到日全食，在日全食时通过照相能观察到恒星发出的光线在太阳近旁掠过时稍有弯曲的情况。不巧，弗劳因德利希率领的观测队刚到俄国，第一次世界大战就爆发了。他们被抓了起来，直到交换战俘时才被遣送回德国。这样一段观测空缺的时间，正好让爱因斯坦修正了他计算的错误。1916年，爱因斯坦重新计算了一下，得到结果为1.7″。1919年又一次日全食，英国皇家学会派出天文学家爱丁顿等人赴非洲和拉美观测。两处观测结果分别为1.61″和1.98″，与理论值基本相符。
此后，还有一些人在日全食时进行了类似的观测，得到的结论也都支持了广义相对论的结论。
20世纪60年代发展起来的射电天文学，使人们在平时就可以验证这一理论，利用射电天文望远镜对被太阳遮掩的射电源进行观测，就可以得到测量数据，而且精确度有较大的提高。
三、星系光谱线的引力红移
牛顿的引力理论没有讨论引力与光的关系，但广义相对论讨论了与引力场的相互作用。除了光线在引力场中会弯曲之外，引力红移也是一个重要的效应。广义相对论认为，光线在引力场中传播时，它的频率会发生变化。一个在太阳表面的氢原子发射的光，到达地球时，将会发现它的频率比地球上氢原子发射的频率要低一点，这种现象叫做红移，因为在可见光中红光频率最低，所以把频率降低的现象叫做红移，反之叫蓝移。
当光线从引力场强的地方（例如太阳附近）传播到引力场弱的地方（例如地球附近）时，一般会发生引力红移。反之，当光线从引力场弱的地方传播到引力场强的地方时，会发生引力蓝移。1911年，爱因斯坦计算出从太阳射到地球的光线的相对引力红移变化是
。这个数值很小当时测量起来很困难，直到20世纪60年代以后才观测到相当准确的数据。
1925年亚当斯观测到一颗白矮星（天狼A）发出光的引力红移效应，测得的引力红移与广义相对论的理论基本相符。白矮星质量大，半径小，发出的光引力红移效应显著，因此比较好测量。
1958年穆斯堡尔效应的发现提供了在地面上精确测量引力红移的可能性。1960年以后，庞德等人在一个22.6米的高塔底部放一个
光源，在塔顶放一个接收器，运用穆斯堡尔效应测量塔顶接收频率的改变量。当
所发出的γ达到顶部时，发生了微小红移，测量结果与理论预言非常一致。
四、雷达回波延迟
1964年夏皮罗等人提出了利用雷达回波实验检验广义相对论的方案。夏皮罗从地球上利用雷达发送一束电磁波脉冲，电磁波达到某个星球后，会发生反射，折回地球，被雷达接收。这样就可以测出来回一次的时间。将电磁波经过太阳附近传播来回的时间与电磁波远离太阳传播来回的时间相比较，就可以得到雷达回波延迟的时间。
夏皮罗领导的小组对水星、火星、金星进行了雷达回波实验，得到了相当满意的结果。地球与水星之间雷达回波最大延迟时间可达240微秒。为了避免行星表面各种因素的干扰，也可以用人造天体作为电磁波的反射体进行实验。
下面是雷达回波延迟的观测结果与理论值的比较：
实验时间反射天体
工作波长 观测值／理论值
1966.11-1967.8 金星、水星
3.8厘米0.9
1967-1970
金星、水星
3.8厘米1.015
7.0厘米
1969.10-1971.1
水手6号
14厘米1.00
水手7号
广义相对论认为，物质的存在和运动造成了时空的弯曲，光线在大质量物体附近的弯曲可以看做是一种折射现象，就像光线通过透镜，它的前进方向会发生改变，光速也会变慢。
五、脉冲双星观察实验——引力波存在的间接证明
早在1918年爱因斯坦就根据广义相对论预言了引力波的存在。他认为引力在时空上是有变化的，它的变化曲率是随着周围质量而异，质量大产生的引力场就大，时空曲率也大。加速运动的物质体系，类似与加速运动的电荷体系发射电磁波一样，发射引力波。引力波以光速传播，也会像电磁辐射从电源带走能量一样，使发射引力波的物体失去能量。
由于引力波很弱，用现有的器材和实验手段在地球还无法检测到引力波。人们只好把希望寄托到质量巨大的天体上，它们之间的相互作用产生的引力波或许能够探测到。
双星是最常见的一种发射引力波的天体系统。但是目前的测量水平还不能探测到双星的引力辐射。然而可以从双星本身的一些表现来间接加以证实。由于双星不断地发射引力波，体系的能量将减少，形成能量衰减，这种由于发射引力波而引起的双星能量衰减，称为引力辐射阻尼。引力辐射阻尼会引起双星公转周期的变化。
但是，并非任何一个双星体系都宜于做这个检验。因为在一些双星体系中，某些非相对论因素也会引起公转周期的变化，例如两星体之间的潮汐作用。在双星体系中，只有引起公转周期变化的相对论因素远大于非相对论因素才能做这个检验。
1974年，美国科学家赫尔斯和泰勒发现了一颗新的脉冲星PSR1913+16，直接观测证明它是双星中的成员之一。更难得的是，不仅PSR1913+16本身是一颗致密星，而且它的伴星也是一颗致密星。这颗脉冲星周期很短（0.059秒），在所有已发现的脉冲星中仅次于蟹状星云的脉冲星(0.033)居第二位。而且公转周期也很小，不到8小时，偏心率却很大。这些对发现由于相对论因素引起的双星公转周期的变化很有利。
观测和计算表明PSR1913+16是一个宜于进行广义相对论引力波理论检验的良好体系。从目前已发现的双星中，它是唯一具备条件的体系。科学家们已经从观测到的数据算出PSR1913+16由于辐射所引起的转动周期的变化率为
秒／年，即每年的变化在万分之0.75秒。这样就间接地证实了引力波的存在。
引力波的直接探测，还有待于科学的进一步发展，一些国家已经投入大量的人力物力进行研究，目前还未取得令人满意的成果。
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