Časová dilatácia pozorovaná v dôsledku relatívnej rýchlosti vychádza zo špeciálnej relativity. Ak sa dvaja pozorovatelia, Janet a Jim, pohybujú opačným smerom a keď prechádzajú okolo seba, všimnú si, že hodinky druhej osoby tikajú pomalšie ako ich vlastné. Keby Judy bežala po boku Janet rovnakou rýchlosťou rovnakým smerom, ich hodinky by tikali v rovnakom tempe, zatiaľ čo Jim, ktorý ide opačným smerom, vidí, že obaja majú pomalšie tikanie hodinky. Zdá sa, že čas pre pozorovanú osobu prechádza pomalšie ako pre pozorovateľa.
Vo všeobecnej teórii relativity je opísaná dilatácia času kvôli tomu, že sú v rôznych vzdialenostiach od gravitačnej hmoty. Čím bližšie ste k gravitačnej hmote, tým pomalšie sa zdá, že vaše hodiny tikajú k pozorovateľovi ďalej od omše. Keď sa kozmická loď priblíži k čiernej diere extrémnej hmotnosti, pozorovatelia pozorujú spomalenie času na ich plazenie.
Tieto dve formy dilatácie času sa kombinujú pre satelit obiehajúci okolo planéty. Na jednej strane ich relatívna rýchlosť k pozorovateľom na zemi spomaľuje čas pre satelit. Ale ďalšia vzdialenosť od planéty znamená, že čas ide rýchlejšie na satelite ako na povrchu planéty. Tieto efekty sa môžu navzájom rušiť, ale tiež môžu znamenať, že spodný satelit má pomalšie hodiny vzhľadom na povrch, zatiaľ čo satelity s vyššou obežnou dráhou majú hodiny rýchlejšie v porovnaní s povrchom.
Účinky dilatácie času sa často používajú v príbehoch sci-fi, ktoré siahajú do 30. rokov minulého storočia. Jeden z prvých a najznámejších experimentov zameraných na dilatáciu času je slávny Twin Paradox, ktorý demonštruje kuriózne účinky dilatácie času v jeho najextrémnejšom štádiu.
Časová dilatácia je najzreteľnejšia, keď sa jeden z objektov pohybuje takmer rýchlosťou svetla, ale prejavuje sa ešte pomalšou rýchlosťou. Tu je niekoľko spôsobov, ako vieme, že časová dilatácia skutočne prebieha: