De tijdsdilatatie gezien als gevolg van relatieve snelheid komt voort uit speciale relativiteit. Als twee waarnemers, Janet en Jim, in tegengestelde richting bewegen en als ze elkaar passeren, merken ze op dat het horloge van de ander langzamer tikt dan het zijne. Als Judy met dezelfde snelheid in dezelfde richting naast Janet zou rennen, zouden hun horloges tikken in hetzelfde tempo, terwijl Jim, die in de tegenovergestelde richting gaat, beide ziet dat ze langzamer tikken horloges. De tijd lijkt langzamer te verlopen voor de persoon die wordt geobserveerd dan voor de waarnemer.
Tijdsdilatatie als gevolg van verschillende afstanden tot een zwaartekrachtmassa wordt beschreven in de algemene relativiteitstheorie. Hoe dichter je bij een zwaartekrachtmassa bent, hoe langzamer je klok lijkt te tikken naar een waarnemer die verder van de massa verwijderd is. Wanneer een ruimteschip een zwart gat met extreme massa nadert, zien de waarnemers de tijd vertragen tot ze kruipen.
Deze twee vormen van tijdsdilatatie combineren voor een satelliet die in een baan om een planeet draait. Enerzijds vertraagt hun relatieve snelheid ten opzichte van waarnemers op de grond de tijd voor de satelliet. Maar de grotere afstand van de planeet betekent dat de tijd sneller gaat op de satelliet dan op het oppervlak van de planeet. Deze effecten kunnen elkaar opheffen, maar kunnen ook betekenen dat een lagere satelliet langzamere klokken heeft relatief ten opzichte van het oppervlak terwijl satellieten met een hogere baan klokken sneller laten lopen ten opzichte van de oppervlakte.
De effecten van tijdsdilatatie worden vaak gebruikt in sciencefictionverhalen, die teruggaan tot ten minste de jaren dertig. Een van de vroegste en meest bekende gedachte-experimenten met tijdsdilatatie is de beroemde Twin Paradox, die de merkwaardige effecten van tijdsdilatatie op zijn extreemst laat zien.
Tijdsdilatatie wordt het duidelijkst wanneer een van de objecten met bijna de lichtsnelheid beweegt, maar het manifesteert zich bij nog lagere snelheden. Hier zijn slechts een paar manieren waarop we weten dat tijddilatatie daadwerkelijk plaatsvindt: