Ada hubungan erat antara bidang fisika partikel dan kosmologi, yang telah dicontohkan oleh barisan panjang fisikawan yang bekerja di keduanya secara bersamaan: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne, dan banyak lainnya. Kosmologi adalah studi tentang alam semesta dan strukturnya, sedangkan fisika partikel adalah studi tentang partikel dasar seperti quark dan foton, objek terkecil yang diketahui. Meskipun pada awalnya mereka mungkin tampak tidak terhubung seperti apa pun, kosmologi dan fisika partikel sebenarnya terkait erat.
Tidak seperti sistem kompleks di Bumi, yang banyak dijelaskan menggunakan penjelasan tingkat tinggi daripada sifat yang muncul dari tingkat terendah, fenomena antargalaksi dan kosmologis relatif lebih sederhana. Misalnya, di ruang angkasa yang sangat jauh, hanya satu dari empat kekuatan alam yang memiliki pengaruh nyata: gravitasi. Meskipun bintang dan galaksi sangat jauh dan berkali-kali lebih besar dari diri kita sendiri, kita memiliki gambaran yang sangat akurat tentang cara kerjanya, yang diturunkan dari hukum fisika dasar yang mengarahkan partikel penyusunnya.
Domain kosmologi yang paling dekat hubungannya dengan fisika partikel adalah studi tentang Big Bang, ledakan raksasa yang menciptakan semua materi di alam semesta dan ruang-waktu yang menyusun alam semesta itu sendiri. Big Bang dimulai sebagai titik kepadatan hampir tak terbatas dan volume nol: singularitas. Kemudian, dengan cepat berkembang menjadi seukuran inti atom, di situlah fisika partikel berperan. Untuk memahami bagaimana momen paling awal dari Big Bang mempengaruhi alam semesta seperti sekarang ini, kita harus menggunakan apa yang kita ketahui tentang fisika partikel untuk membuat model kosmologis yang masuk akal.
Salah satu motivasi untuk menciptakan akselerator partikel yang lebih kuat adalah untuk melakukan eksperimen yang mensimulasikan keadaan fisik sedini mungkin dalam sejarah alam semesta, ketika semuanya sangat padat dan panas. Kosmolog harus berpengalaman dalam fisika partikel untuk memberikan kontribusi yang signifikan ke lapangan.
Kunci lain untuk memahami hubungan antara fisika partikel dan kosmologi adalah dengan melihat studi lubang hitam. Sifat fisik lubang hitam relevan dengan masa depan kosmos dalam jangka panjang. Lubang hitam adalah bintang yang runtuh dengan gravitasi yang sangat besar sehingga bahkan cahaya pun tidak dapat lepas dari genggaman mereka. Untuk sementara, diperkirakan bahwa lubang hitam tidak memancarkan radiasi, dan akan abadi, sebuah paradoks bagi fisikawan. Tapi Stephen Hawking berteori, berdasarkan wawasan dari fisika partikel, bahwa lubang hitam memang memancarkan radiasi, yang kemudian disebut radiasi Hawking.
Fisika partikel juga sangat relevan dengan penyelidikan materi gelap, materi tak kasat mata yang keberadaannya diketahui karena pengaruh gravitasinya pada materi tampak, dan energi gelap, kekuatan misterius yang menyelimuti alam semesta dan menyebabkan percepatan ekspansinya. Ini adalah pertanyaan sentral dalam kosmologi modern.