時間、空間、時空（或時間-空間，時間和空間的結合）等概念，是物理學、天文學、空間物理學和哲學等最重要、最基本的概念，關於它們的存在和本質是物理學哲學的中心課題。
在許多哲學中，時間被視為變化。通常認為時間是一種基本量，即不能用其他量來定義的量。因為時間似乎是一個基本的概念，因此無法用任何更簡單的方式來定義時間。但是，某些理論，例如圈量子引力（loop quantum gravity）理論，認為時空（spacetime）已經呈現。圈量子引力的創始人之一卡洛·羅維利（Carlo Rovelli）提出：「時空不再有場：只有場上的場」（No more fields on spacetime: just fields on fields）。
時間是通過測量，即通過其標準時間間隔定義的。目前所使用的標準時間間隔，稱為「常規秒」或簡稱為「秒」，定義為133個銫原子（ISO 31-1）中超精細躍遷的9,192,631,770次振蕩。我們常說現在幾點了、時間如何運作等是依據上面的定義。然後可以將時間與空間和質量的基本量進行數學組合，以定義諸如速度，動量，能量和場之類的概念。
時間和空間是人類文明中最為古老的概念。一直到牛頓和伽利略時代，以及20世紀的大多數人都認為，時間對於世界上每個人都是絕對相同的。現代的時間概念是基於愛因斯坦的相對論和閔可夫斯基的時空理論，其中時間率在不同的慣性參照系中以不同的方式運行，並且空間和時間合併為時空。
時間可以被量化，理論上最小的時間大約是普朗克時間。愛因斯坦的廣義相對論以及來自遙遠星系的光線的紅移表明，整個宇宙乃至時空本身大約始於138億年前的大爆炸。愛因斯坦的相對論在很大程度上使傳統的時間觀念變得似乎不太合理，因為時間的參照系依賴性似乎不允許存在某種絕對的時刻。
一些理論，比如最著名的相對論表明，合適的時空幾何概念或某些類型的空間運動，可能允許時間穿越過去和未來。愛因斯坦的相對論預言了時間膨脹。在愛因斯坦的相對論中，時間膨脹有兩種不同狀況：
在狹義相對論中，所有相對於一個慣性系統移動的時鐘都會走得較慢，這種時間膨脹效應是相互性的：從任一個時鐘觀測，都是對方的時鐘走慢了。假定兩者相互運動是等速均勻，兩者在觀測對方時都沒有加速度。這種現象實驗可觀察到，實際上對GPS衛星和日常生活中使用的其他高科技系統的運行都會產生影響。
狹義相對論的一個著名思想實驗是雙生子佯謬，指有一對雙生兄弟，一個登上一宇宙飛船作長程太空旅行，而另一個則留在地球。結果當旅行者回到地球後，他發現自己比留在地球的兄弟更年輕。但是從相對飛船靜止的參考系上看，發現旅行者年紀更大。兩個互不相容的答案表示，唯一的可能是兩者年齡相同。
在廣義相對論中，在引力場中擁有較低勢能的時鐘走得較慢。引力時間膨脹卻不是相互性的：高空處的觀測者覺得地面的時鐘走慢了，而地面的觀測者覺得高空處的時鐘走快了。引力時間膨脹效應對於每個觀測者都一樣，時間膨脹與引力場的強弱與觀察者所處的位置相關。
按照廣義相對論，時光可以倒流，也可以穿越到未來，即允許時間旅行。科學界的許多人認為，時間旅行極不可能，因為它違反了基本的因果關係，即基本的因果邏輯。例如著名的祖父悖論（grandfather paradox）。假如一個人能回到過去，把自己的祖父殺掉了，但由此會產生種種矛盾：回到過去殺了年青尚未婚的祖父，祖父死了就沒有父親，沒了父親也就不會有這個人，那麼是誰殺了祖父呢？
霍金曾經提出，在將來進行時光旅行的遊客不可能存在，構成了時間旅行不存在的強力理由，這是費米悖論的一種變體，即時光旅行者除非是某種外星旅行者。
費米悖論（Fermi paradox）指的是充分相信外星文明的存在然而又缺乏相關證據的邏輯矛盾。宇宙驚人的年齡和龐大的星體數量意味著，除非地球是一個特殊的例子，否則外星生命應該廣泛存在。在1950年物理學家恩費米問道，如果銀河系存在大量先進的外星文明，那麼為什麼連飛船或者探測器之類的證據都看不到。如果生命是普遍存在的話，為什麼我們探測不到電磁信號？有人嘗試通過尋找外星文明的證據來解決費米悖論，也提出這些生命可能不具備人類智慧，也有學者認為高等外星文明根本不存在，或者非常稀少以至於人類不可能聯繫得上。
無論是科學家還是科幻作家們都開發了一些關於外星文明的假設或模型，大部分探索都引用費米悖論作為參考。有些相關問題得到重視，內容涵蓋物理學、天文學、空間物理學、生物學、生態學和哲學等領域，形成了一個新興的跨學科的天體生物學。
空間是物理學中為數不多的基本量之一，這意味著無法通過其他量來定義空間，因為目前尚無基本認知。 因此，類似於如時間基本量的定義，空間是通過測量來定義的。目前空間是通過稱為標準米或簡稱米的標準空間間隔來定義，為光在真空中在1/299792458秒的精確時間間隔裡傳播的距離。
在古典物理學中 ，空間是三維歐幾裡得空間 ，其中任何位置都可以使用三個坐標來描述並通過時間進行參數化。相對論使用的是四維時空，而不是三維空間。目前還有許多使用超過四個空間維度的推測性理論。
時間、空間、時空的本質到底是什麼？ 時間、空間、時空是物質的還是純粹的關係？時空的同生性或同成性是常規的還是相對的？ 時間不對稱是否可以純粹地簡化為熱力學不對稱？這些都是現代物理哲學中的時空哲學的基本而又重要的中心課題。