El espacio-tiempo (también: espaciotiempo) es el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un solo objeto continuo de cuatro dimensiones. En este espacio-tiempo es en donde ocurren todos los sucesos físicos del Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein. 
La teoría de la relatividad de Einstein se basa en dos postulados. El primero sostiene que las leyes de la física son idénticas para todos los observadores en sistemas de referencia inerciales, mientras que el segundo afirma que la velocidad de la luz en el vacío es una constante. Como consecuencia directa el espacio y el tiempo no pueden ser independientes. Esto se puede apreciar, por ejemplo, en las transformaciones de Lorentz y lleva a efectos interesantes como la contracción de Lorentz. 

Contrario a la creencia popular, Einstein no llegó a la conclusión de que el espacio y el tiempo debieran considerarse como una sola entidad[1]​; sino que fue Hermann Minkowski (el profesor de matemáticas de Einstein), quien introdujo el concepto en un célebre coloquio en 1908 titulado "Espacio y tiempo" mediante la frase: "A partir de ahora, el espacio por sí mismo y el tiempo por sí mismo están condenados a desvanecerse en meras sombras, y sólo una especie de unión de ambos preservará una realidad independiente".La reacción inicial de Einstein ante esta visión del espacio-tiempo no fue del todo favorable, acusándo al trabajo de Minkowski como superfluo[2]​. Pese a esto, Einstein terminó por adoptar la física del espacio-tiempo de Minkowski[3]​, siendo esta un elemento crucial para la revolucionaria teoría de la relatividad general de Einstein, donde el espacio-tiempo se vuelve dinámico y adquiere curvatura. 
El trabajo de Minkowski demostró la utilidad de considerar al espacio y al tiempo como un ente matemático único y continuo, considerando al Universo como un espacio de cuatro dimensiones, formado por tres dimensiones espaciales físicas y por una "cuarta dimensión" temporal; dicho de manera más precisa: como una variedad lorentziana de cuatro dimensiones. El ejemplo más simple de una variedad de este tipo es el espacio-tiempo de Minkowski, usado en relatividad especial.