L'interaction gravitationnelle joue un rôle prédominant dans la physique de l'échelle macroscopique jusqu'à l'échelle de l'univers. Elle est bien décrite par la théorie de la relativité générale mais des questions importantes restent cependant en suspens.
Une prédiction essentielle de la relativité générale est l'existence des ondes gravitationnelles se propageant comme les ondes électromagnétiques à la vitesse de la lumière. Ce rayonnement a été mis en évidence de manière indirecte par le chronométrage des pulsars binaires, mais il n'a pas encore été observé directement. L'observation directe du rayonnement gravitationnel est l'objectif du grand interféromètre franco-italien Virgo en construction près de Pise. Outre son grand intérêt scientifique, cette observation directe ouvrirait une nouvelle fenêtre d'observation astrophysique. De futurs interféromètres encore plus grands, en orbite autour de la Terre ou même autour du Soleil, permettraient de détecter le rayonnement gravitationnel à des fréquences plus basses (projet Lisa).
La relativité générale est une théorie purement classique. Elle présente des difficultés tout à fait particulières vis a vis de la quantification. On ne dispose pas encore à l'heure actuelle d'une théorie quantique de la gravitation. De ce fait, de nombreuses questions se trouvant à l'interface entre la physique de la gravitation et celle des autres interactions fondamentales, dominantes dans le domaine microscopique, sont encore mal comprises. De plus, toutes les tentatives d'unification théorique qui sont très activement développées conduisent à des modifications de la théorie de la gravitation. Celles-ci introduisent souvent des violations apparentes du principe d'équivalence qui est la base de la théorie de la relativité générale. Ces violations pourraient se manifester dans les tests expérimentaux à un degré de précision meilleur que celui qui est actuellement démontré. Leur étude est l'objectif de plusieurs projets de test du principe d'équivalence dans l'espace (projet Microscope).
Depuis Newton, la physique de la gravitation a un rapport privilégié avec l'espace. Aujourd'hui les mesures de la station Laser-Lune conduisent à des tests extrêmement fins de la théorie de la gravitation. De plus, les techniques spatiales permettent maintenant de proposer de nouvelles expériences permettant de vérifier les lois de la gravitation avec la meilleure précision possible et à diverses échelles de distance. L'absence de bruit sismique terrestre et la quasi impesanteur qui caractérisent l'environnement spatial en font un laboratoire privilégié pour un tel programme. Ceci est vrai pour les projets de détection des ondes gravitationnelles et de test du principe d'équivalence ainsi que pour les projets de test de la relativité générale fondés sur des horloges à atomes froids (projet Aces).
Bien qu'elle soit la plus ancienne des constantes fondamentales de la physique, la constante gravitationnelle G est aussi celle qui est mesurée avec la moins bonne précision. La métrologie des masses pose également des problèmes, en particulier en ce qui concerne le raccordement entre masses macro- et microscopiques. Une conséquence est que l'étalon de masse reste défini par un objet physique particulier alors que l'étalon de temps est défini par la fréquence d'une transition atomique. La seconde définition est plus universelle puisqu'elle est liée aux constantes physiques fondamentales. La spectroscopie optique devrait permettre de mesurer des masses en unité de fréquence et donc de contribuer à résoudre ce problème. Les atomes froids permettent la mise au point d'horloges ultrastables et potentiellement d' accéléromètres et gyromètres ultrasensibles (projet Hyper).
La relativité générale étant une théorie fondamentale sans aucun paramètre libre, tout test discriminant conduisant à une éventuelle déviation aurait un impact considérable, en particulier en astrophysique et en cosmologie. A contrario, toute confirmation à un meilleur degré de précision vient conforter l'un des piliers de la physique fondamentale et contraindre les nombreux modèles alternatifs.
Toutes ces expériences présentent la caractéristique commune de chercher à mesurer des effets extrêmement petits, que ce soit les effets induits par les ondes gravitationnelles ou d'éventuelles violations de la relativité générale. Elles font appel aux technologies les plus avancées, les technologies critiques étant souvent similaires dans plusieurs expériences. Les problèmes de simulation, de contrôle du bruit, de traitement des données ont souvent des aspects communs à plusieurs expériences.
La théorie joue aussi un rôle important et unificateur parce que l'exploitation des résultats, l'interprétation de leur signification et de leur relation à la théorie posent des problèmes spécifiques au domaine de la gravitation.