Consisteix en una pertorbació de la geometria d’espaitemps que es propaga a la velocitat de la llum i que és produïda per l’acceleració de partícules massives, tal com l’ona electromagnètica és produïda per l’acceleració de partícules amb càrrega. Les ones gravitacional foren predites per Albert Einstein el 1916 com a conseqüència de la teoria de la relativitat general. Aquesta teoria descriu la gravetat com la curvatura de l’espaitemps provocada per la massa. Si aquesta massa és accelerada, radia energia en forma d’ones gravitacionals que es propaguen com arrugues en la geometria de l’espaitemps. Si, per exemple, una ona gravitacional arriba a un cos en suspensió, l’hauria de fer vibrar lleugerament. En aquest fet es basen els experiments realitzats per detectar ones gravitacionals. A causa de la seva feblesa, les ones que es podrien detectar a la Terra amb un instrument de mesura molt acurat haurien de provenir de fenòmens molt violents a l’Univers, com una explosió de supernova o el xoc entre forats negres.
Tot i que al principi del segle XXI encara no s’havien detectat ones gravitacionals de manera directa, sí que se n'havien pogut observar els efectes en el púlsar binari PSR 1913+16. Els dos objectes compactes d’aquest sistema tenen masses superiors a la del Sol i orbiten molt ràpidament —en un període de només 7,75 hores— l’un al voltant de l’altre. La gran acceleració que els suposa estar en una òrbita d’aquestes característiques fa que perdin molta energia emetent ones gravitacionals. La pèrdua d’aquesta energia fa que l’òrbita decaigui, i que els estels estiguin cada cop més propers l’un de l’altre i que el període de les dues estrelles disminueixi. Aquesta disminució del període fou mesurada pels astrofísics Joseph Taylor i Russell Hulse el 1974, que descobriren que coincidia exactament amb la predita per la teoria de la relativitat general, descobriment que els valgué el premi Nobel el 1993.
Posteriorment, hom ha construït detectors que tenen com a finalitat assenyalar les eventuals vibracions produïdes per les ones gravitacionals. El principal tipus d’aquests detectors es basa en l’interferòmetre. El Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), operatiu des del 2010, és el de sensibilitat més alta. Consta de tres detectors, dos a Hanford (Washington) i un a Livingston (Louisiana). L'11 de febrer de 2016, científics de l'equip del LIGO (LIGO Collaboration) confirmaren la primera evidència empírica de les ones gravitacionals en detectar una distorsió de l'espaitemps que tenia l'origen en la col·lisió de dos forats negres esdevinguda a uns mil milions d'anysllum. D'altra banda, al desembre del 2015 s’enlairà des de la base de Kourou el Lisa Pathfinder, un satèl·lit de l’Agència Espacial Europea equipat amb un detector làser, el primer giny per a identificar les ones gravitacionals des de l’espai.