En physique, la notion d’espace (et la façon dont celui-ci est modélisé mathématiquement) varie en fonction des conditions expérimentales:

• En mécanique classique, dont les lois expliquent la quasi-totalité des phénomènes survenant à échelle humaine, l’espace est modélisé comme un espace euclidien de dimension 3.
• La relativité restreinte, dont les lois prennent en compte le fait que la vitesse de la lumière est une constante quel que soit l’observateur, introduit un lien entre l’espace et le temps. L’espace-temps y est modélisé comme un Espace de Minkowski. Ces lois ne s’appliquent que dans un cadre restreint (pas d’accélération du référentiel, pas de gravité).
• En relativité générale, qui étend la mécanique classique en intégrant le fait que la vitesse de la lumière est une constante, l’espace, la matière et le temps sont liés. L’espace-temps est modélisé mathématiquement comme une variété de dimension 4, dont la courbure dépend du potentiel de gravitation. L’espace tangent (approximation de l’espace sur de petites distances et de petites durées, en ignorant la courbure) est un Espace de Minkowski. Les prédictions de la relativité générale ne s’écartent sensiblement des prédictions de la mécanique classique qu’à des champs de gravité extrêmement forts, ou à des vitesses extrêmement élevées.
• En mécanique quantique, qui étudie les phénomènes à des tailles tellement petites que les changements d’états ne sont plus continus, mais se font par saut (les quanta), l’espace est modélisé comme un espace euclidien de dimension 3, mais la notion de position n’existe plus, et est remplacée par la notion de fonction d'onde, ou nuage de probabilité. Position et mouvement y sont liés par le principe d'incertitude d'Heisenberg qui postule qu’ils ne peuvent être connus simultanément avec précision, ce qui rend impossible toute notion de trajectoire d’une particule. Bien qu’efficace pour prédire les phénomènes, cette modélisation pose des problèmes d’interprétation (voir par exemple École de Copenhague). Pour les calculs, la mécanique quantique ne considère pas la position du système étudié, mais son état. Les états des sytèmes sont modélisés mathématiquement dans un espace de Hilbert. Dans cet espace aussi, les mouvements (changements d'état) sont discontinus.

L’espace physique, ou espace-temps, soulève plusieurs questions philosophiques:

• L’espace est-il absolu ou relatif ? En d’autres termes, que se passerait-il si l’on poussait l’univers entier de trois mètres dans une direction ? Pour la physique, l’espace-temps est relatif, et un résultat théorique majeur (Théorème de Noether) montre que cela explique les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l’énergie.
• L’espace possède-t-il une géométrie propre ou la géométrie de l’espace est-elle uniquement une convention?

La question des caractéristiques de l’espace avait été abordée par

• Isaac Newton (l’espace est absolu),
• Gottfried Leibniz (l’espace est relatif)
• Henri Poincaré (la géométrie de l’espace est une convention).

L'espace désigne les zones relativement vides de l'Univers, au delà des atmosphères des corps célestes.

Il s'agit donc de l'étendue de densité extrêmement faible qui sépare les astres. On parle aussi vide spatial. On le qualifie quelques fois d'espace interplanétaire, interstellaire (ou intersidéral) et intergalactique pour désigner plus précisément le vide spatial qui sépare respectivement les planètes, les étoiles et les galaxies.

L'espace peut aussi se définir en opposition à l'atmosphère terrestre.

Du fait de l'absence de limite nette de l'atmosphère terrestre, on peut définir de différentes façons la limite entre l'atmosphère et l'espace. La Fédération aéronautique internationale a établi la ligne Kármán à une altitude de 100 km pour définition effective de cette frontière. Dans le milieu astronautique, une personne qui se déplace au delà d'une altitude de 80 km est désignée astronaute, cosmonaute, etc. suivant sa nationalité (dans ce cas, la thermosphère est considérée comme la limite de l'atmosphère). L'altitude de 120 kilomètres marque la frontière où les effets atmosphériques lors d'un retour d'orbite deviennent non négligeables.