ไม่มีทฤษฎีวิทยาศาสตร์ใดเป็นจริงโดยโต้แย้งไม่ได้ ทฤษฎีแต่ละอย่างเป็นแบบจำลองซึ่งจำเป็นต้องตรวจสอบด้วยการทดลอง กฎความโน้มถ่วงของนิวตันเป็นที่ยอมรับเพราะคิดคำนวณการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และดวงจันทร์ในระบบสุริยะโดยมีความแม่นยำพอสมควร เมื่อความแม่นยำของการวัดเชิงทดลองค่อย ๆ พัฒนาดีขึ้น จึงเริ่มมีการสังเกตข้อแตกต่างในการพยากรณ์ของนิวตันบ้าง และข้อแตกต่างเหล่านี้สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในทำนองเดียวกัน การพยากรณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะต้องมีการตรวจสอบด้วยการทดลองด้วย และไอน์สไตน์เองประดิษฐ์การทดลองสามอย่างซึ่งปัจจุบันเรียกการทดสอบทฤษฎีคลาสสิก ดังนี้

วงโคจรแบบนิวตัน (สีแดง) และแบบไอน์สไตน์ (สีน้ำเงิน) ของดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่โคจรรอบดาวฤกษ์ทรงกลม (คลิกภาพเพื่อดูแอนิเมชัน)

• ความโน้มถ่วงของนิวตันพยากรณ์ว่าวงโคจรซึ่งดาวเคราะห์เดี่ยว ๆ ที่วนรอบดาวฤกษ์ทรงกลมพอดีควรเป็นวงรี ทฤษฎีของไอน์สไตน์พยากรณ์เส้นโค้งที่ซับซ้อนกว่านั้น คือ ดาวเคราะห์ประพฤติเสมือนว่ากำลังเดินทางอยู่รอบวงรีวงหนึ่ง แต่ในขณะเดียวกันวงรีทั้งวงกำลังหมุนช้า ๆ รอบดาวฤกษ์ด้วย ในแผนภาพทางขวามือ วงรีที่พยากรณ์โดยความโน้มถ่วงแบบนิวตันแสดงด้วยสีแดง และวงโคจรบางส่วนที่ไอน์สไตน์พยากรณ์แสดงด้วยสีน้ำเงิน สำหรับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ การเบี่ยงเบนจากวงโคจรของนิวตันเรียก การเลื่อนจุดใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดผิดธรรมดา (anomalous perihelion shift) การวัดผลนี้ครั้งแรก สำหรับดาวพุธ ย้อนไปถึงปี 1859 ผลลัพธ์ที่แม่นยำที่สุดสำหรับดาวพุธและดาวเคราะห์อื่นจนถึงปัจจุบันอาศัยการวัดซึ่งมีการดำเนินการระหว่างปี 1966 ถึง 1990 โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ[25] ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายการเลื่อนจุดใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดผิดธรรมดาสำหรับดาวเคราะห์ทุกดวงซึ่งสามารถวัดค่าดังกล่าวได้อย่างแม่นยำ (ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์และโลก)
• สัมพันธภาพทั่วไประบุว่า แสงไม่เดินทางเป็นเส้นตรงเมื่อแผ่ในสนามความโน้มถ่วง แต่แสงกลับมีการเบนเมื่อมีเทห์ขนาดมหึมา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสงดาวมีการเบนเมื่อเฉียดดวงอาทิตย์ ทำให้ตำแหน่งของดาวฤกษ์ดูเหมือนเลื่อนขึ้น 1.75 ฟิลิปดาหรืออาร์กวินาที (1 ฟิลิปดาเท่ากับ 1/3600 ขององศา) ในกรอบของความโน้มถ่วงแบบนิวตัน สามารถให้เหตุผลแบบวิทยาการศึกษาสำนึกซึ่งนำไปสู่การเบนแสงโดยกึ่งหนึ่งของปริมาณตามสัมพัทธภาพทั่วไป การพยากรณ์ที่ต่างกันสามารถทดสอบได้โดยสังเกตดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ระหว่างสุริยุปราคา ด้วยวิธีนี้ คณะสำรวจแอฟริกาตะวันตกของบริเตนในปี 1919 ที่มีอาเธอร์ เอ็ดดิงตันเป็นผู้นำ ยืนยันว่าการพยากรณ์ของไอน์สไตน์ถูกต้อง และการพยากรณ์ของนิวตันผิด โดยการสังเกตสุริยุปราคาเดือนพฤษภาคม 1919 ผลลัพธ์ของเอ็ดดิงตันนั้นไม่ได้แม่นยำมากนัก การสังเกตการเบนแสงของเควซาร์ที่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ในเวลาต่อมา ซึ่งใช้เทคนิคดาราศาสตร์วิทยุที่มีความแม่นยำสูง ยืนยันว่าผลลัพธ์ของเอ็ดดิงตันมีความแม่นยำดีกว่าอย่างสำคัญ (การวัดดังกล่าวครั้งแรกมีตั้งแต่ปี 1967 ส่วนการวิเคราะห์อย่างครอบคลุมล่าสุดมาจากปี 2004)[26]
• ปอนด์และเร็บกาเป็นผู้สังเกตการเลื่อนไปทางแดงของความโน้มถ่วงในห้องปฏิบัติการครั้งแรกในปี 1959 นอกจากนี้ยังพบในการวัดทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ซึ่งมีครั้งเด่น ๆ จากแสงที่หลบออกจากดาวแคระขาวซิริอุสบี ผลการขยายขนาดของเวลาจากความโน้มถ่วงที่สัมพันธ์กันนั้นวัดได้จากนาฬิกาอะตอมที่กำลังเคลื่อนย้ายไปที่ความสูงระหว่างหลายสิบถึงหลายหมื่นกิโลเมตร (โดยเฮเฟเลและคีตลิงในปี 1971 การวัดที่แม่นยำที่สุดในปัจจุบันวัดโดยกราวิตีโพรบ เอ ที่ปล่อยในปี 1976)[27]

ในบรรดาการทดสอบเหล่านี้ มีเพียงการเคลื่อนที่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดของดาวพุธเท่านั้นที่ทราบกันก่อนการเผยแพร่ครั้งสุดท้ายซึ่งสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในปี 1916 การยืนยันการพยากรณ์ของเขาด้วยการทดลองภายหลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวันการเบนของแสงจากดวงอาทิตย์ครั้งแรกในปี 1919 ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับชื่อเสียงในระดับนานาชาติ[28] การทดลองทั้งสามนี้ทำให้การยอมรับสัมพัทธภาพทั่วไปเหนือกว่าทฤษฎีของนิวตันชอบด้วยเหตุผล และทางเลือกของสัมพัทธภาพทั่วไปอีกหลายทฤษฎีที่มีการเสนอไปพร้อมกัน

ซ้าย: รังสีของแสงที่ไม่ถูกรบกวนในปริภูมิ-เวลาราบ, ขวา: ผลชะลอชาปีโรและรังสีแสงที่เบนในละแวกของมวลที่มีความโน้มถ่วง

การทดสอบสัมพัทธภาพทั่วไปเพิ่มเติมยังได้แก่ การวัดอย่างแม่นยำซึ่งผลชาปีโรหรือการหน่วงเวลาจากความโน้มถ่วงสำหรับแสง ซึ่งมีการวัดล่าสุดในปี 2002 โดยยานอวกาศแคสซินี ชุดการทดสอบหนึ่งมุ่งเน้นผลที่ทำนายจากสัมพัทธภาพทั่วไปสำหรับพฤติกรรมของไจโรสโคปที่เคลื่อนที่ผ่านอวกาศ ผลเหล่านี้ผลหนึ่ง จีออเดสิกพรีเซสชัน (geodetic precession) มีการทดสอบด้วยการทดลองพิสัยเลเซอร์ดวงจันทร์ หรือการวัดวงโคจรของดวงจันทร์ที่มีความแม่นยำสูง การทดสอบอีกอย่างหนึ่งซึ่งเกี่ยวข้องกับมวลที่กำลังโคจร เรียก เฟรมแดรกกิง (frame-dragging) ผลจีออเดสิกและเฟรมแดรกกิงมีการทดสอบแล้วด้วยการทดลองดาวเทียมกราวิตีโพรบบีซึ่งปล่อยในปี 2004 โดยผลลัพธ์ยืนยันว่าสัมพัทธภาพมีความแม่นยำอยู่ภายใน 0.5% ถึง 15% ตามลำดับ ในเดือนธันวาคม 2008[29]

ด้วยมาตรฐานจักรวาล ความโน้มถ่วงตลอดระบบสุริยะมีอ่อน เนื่องจากผลต่างระหว่างการพยากรณ์ของทฤษฎีไอน์สไตน์และนิวตันจะเห็นผลมากที่สุดเมื่อความโน้มถ่วงเข้ม นักฟิสิกส์จึงมีความสนใจมานานในการทดสอบผลของสัมพัทธภาพต่าง ๆ ในสภาพแวดล้อมที่มีสนามความโน้มถ่วงเข้มโดยเปรียบเทียบ จนเป็นไปได้ด้วยการสังเกตพัลซาร์คู่อย่างแม่นยำ ในระบบดาวฤกษ์ดังกล่าว ดาวนิวตรอนที่อัดแน่นอย่างสูงสองดวงโตจรรอบกันและกัน มีอย่างน้อยดวงหนึ่งเป็นพัลซาร์ วัตถุทางดาราศาสตร์ที่ปล่อยลำคลื่นวิทยุอย่างแน่น ลำคลื่นดังกล่าวมาถึงโลกด้วยระยะห่างสม่ำเสมอมาก คล้ายกับที่ลำแสงประภาคารที่หมุนอยู่หมายความว่าผู้สังเกตจะเห็นประภาคารกระพริบ และสามารถสังเกตได้ประหนึ่งชุดพัลส์ที่มีความสม่ำเสมอสูง สัมพัทธภาพทั่วไปทำนายความผันแปรที่จำเพาะจากความสม่ำเสมอของพัลส์วิทยุนี้ ตัวอย่างเช่น บางครั้งเมื่อคลื่นวิทยุผ่านเข้าใกล้ดาวนิวตรอนอีกดวงหนึ่ง คลื่นควรเบนไปด้วยผลของสนามความโน้มถ่วงดาวฤกษ์ รูปแบบพัลส์ที่สังเกตได้นั้นมีความใกล้เคียงกับที่สัมพัทธภาพทั่วไปทำนายไว้อย่างน่าประทับใจ[30]

ชุดการสังเกตจำเพาะหนึ่งมีความสัมพันธ์กับการประยุกต์เชิงปฏิบัติที่เป็นประโยชน์อย่างเห็นได้ชัด กล่าวคือ ระบบนำทางด้วยดาวเทียมอย่างระบบกำหนดตำแหน่งบนโลกซึ่งใช้ทั้งการระบุตำแหน่งอย่างแม่นยำและการจับเวลา ระบบดังกล่าวอาศัยนาฬิกาอะตอมสองชุด คือ นาฬิกาที่อยู่บนดาวเทียมที่โคจรรอบโลก และนาฬิกาอ้างอิงที่ตั้งอยู่บนผิวโลก สัมพัทธภาพทั่วไปพยากรณ์ว่านาฬิกาสองชุดนี้ควรเดินด้วยอัตราต่างกันเล็กน้อย เนื่องจากการเคลื่อนที่ที่ต่างกัน (อันเป็นผลที่พยากรณ์ไว้ตามสัมพัทธภาพพิเศษแล้ว) และตำแหน่งที่ต่างกันในสนามความโน้มถ่วงของโลก เพื่อรับประกันความแม่นยำของระบบ นาฬิกาบนดาวเทียมจะช้าลงด้วยปัจจัยสัมพัทธภาพ หรือมีการทำให้ปัจจัยนั้นเป็นส่วนหนึ่งของอัลกอริทึมการประเมิน ฉะนั้น การทดสอบความแม่นยำของระบบ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวัดอย่างถี่ถ้วนมากซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของบทนิยามเวลาสากลเชิงพิกัด) เป็นข้อพิสูจน์ชัดเจนของความสมเหตุสมผลของการพยากรณ์สัมพัทธภาพ[31]

มีการทดสอบอย่างอื่นจำนวนหนึ่งที่พิสูจน์ความถูกต้องของหลักกาารสมมูลฉบับต่าง ๆ สำหรับการกล่าวอย่างเข้มงวด การวัดการขยายขนาดของเวลาจากความโน้มถ่วงทั้งหมดเป็นการทดสอบฉบับอ่อนของหลักการนั้น ไม่ใช่การทดสอบสัมพัทธภาพทั่วไป จนถึงปัจจุบัน สัมพัทธภาพทั่วไปผ่านการทดสอบเชิงสังเกตทั้งหมด[32]