Det finns en intim relation mellan områdena partikelfysik och kosmologi, vilket exemplifierats av en lång rad fysiker som arbetar i båda samtidigt: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne och många andra. Kosmologi är studiet av universum och dess struktur, medan partikelfysik är studiet av grundläggande partiklar som kvarkar och fotoner, de minsta kända objekten. Även om de till en början kan verka så osammanhängande som något kan vara, är kosmologi och partikelfysik i själva verket nära sammanlänkade.
Till skillnad från de komplexa systemen på jorden, som mycket beskrivs med hjälp av förklaringar på högre nivå snarare än egenskaper som kommer från de lägsta nivåerna, är intergalaktiska och kosmologiska fenomen jämförelsevis enklare. Till exempel, i rymdens stora avstånd är det bara en av de fyra naturkrafterna som har något verkligt inflytande: gravitationen. Även om stjärnor och galaxer är väldigt långt borta och många gånger större än vi själva, har vi en anmärkningsvärt korrekt bild av hur de fungerar, härledd från grundläggande fysiska lagar som styr deras beståndsdelar.
Den domän av kosmologi som är närmast kopplad till partikelfysik är studiet av Big Bang, den gigantiska explosion som skapade all materia i universum och den rumtid av vilken universum självt är sammansatt. Big Bang började som en punkt med nästan oändlig densitet och noll volym: en singularitet. Sedan expanderade den snabbt till storleken på en atomkärna, vilket är där partikelfysik kommer in i bilden. För att förstå hur de tidigaste ögonblicken av Big Bang påverkade universum som det är idag, måste vi använda det vi vet om partikelfysik för att skapa rimliga kosmologiska modeller.
En av motiven för att skapa allt kraftfullare partikelacceleratorer är att genomföra experiment som simulerar de fysiska omständigheterna så tidigt som möjligt i universums historia, då allt var väldigt kompakt och varmt. Kosmologer måste vara väl bevandrade i partikelfysik för att kunna göra betydande bidrag till området.
En annan nyckel för att förstå sambandet mellan partikelfysik och kosmologi är att titta på studiet av svarta hål. De fysiska egenskaperna hos svarta hål är relevanta för den långsiktiga framtiden för kosmos. Svarta hål är kollapsade stjärnor med en sådan enorm gravitation att inte ens ljus kan undgå deras grepp. Ett tag trodde man att svarta hål inte avgav någon strålning, och skulle ha varit evig, en paradox för fysiker. Men Stephen Hawking teoretiserade, baserat på insikter från partikelfysik, att svarta hål verkligen avger strålning, som därefter kallades Hawking-strålning.
Partikelfysik är också mycket relevant för undersökningar av mörk materia, osynlig materia vars existens är känd på grund av dess gravitationsinflytande på synlig materia, och mörk energi, en mystisk kraft som genomsyrar universum och får dess expansion att accelerera. Dessa är centrala frågor i modern kosmologi.