Przedmiot badań Przedmiotem badań kosmologii fizycznej jest opis Wszechświata w dużych skalach: odległości kosmologiczne są najczęściej mierzone w parsekach, a masy w masach Słońca. Koncepcja ta zakłada, że nic poza Wszechświatem nie istnieje, jest on izolowanym układem fizycznym, którego ewolucja jest uzależniona od wzajemnego oddziaływania jego składników. Spośród czterech znanych podstawowych oddziaływań fizycznych tylko grawitacja działa na dużych odległościach. Dlatego ewolucja Wszechświata w wielkich skalach jest uzależniona jedynie od oddziaływania grawitacyjnego.
Grawitacja została opisana w ogólnej teorii względności równaniem pola grawitacyjnego (równanie Einsteina):
zawierającego stałą kosmologiczną Λ. Od wartości tej stałej (a konkretnie od jej wpływu na gęstość krytyczną) zależy topologia Wszechświata i tym samym (najprawdopodobniej) jego przyszłość.
Obserwacje kosmologiczne są kluczowe do badania podstawowych właściwości czterech obszarów fizyki: ciemnej energii, ciemnej materii, neutrin oraz inflacji.