Obstaja tesen odnos med področji fizike delcev in kozmologije, ki ga ponazarja dolga vrsta fizikov, ki delajo na obeh hkrati: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne in mnogi drugi. Kozmologija je študij vesolja in njegove strukture, medtem ko je fizika delcev preučevanje osnovnih delcev, kot so kvarki in fotoni, najmanjši znani objekti. Čeprav se sprva morda zdita tako nepovezana, kot je lahko, sta kozmologija in fizika delcev v resnici tesno povezani.
Za razliko od kompleksnih sistemov na Zemlji, ki jih je mogoče opisati z uporabo višjih razlag in ne lastnosti, ki izhajajo iz najnižjih ravni, so medgalaktični in kozmološki pojavi sorazmerno enostavnejši. Na primer, v velikih razdaljah vesolja ima dejanski vpliv le ena od štirih naravnih sil: gravitacija. Čeprav so zvezde in galaksije zelo oddaljene in velikokrat večje od nas samih, imamo izjemno natančno sliko o njihovem delovanju, ki izhaja iz temeljnih fizikalnih zakonov, ki usmerjajo njihove sestavne delce.
Področje kozmologije, ki je najbolj povezano s fiziko delcev, je preučevanje velikega poka, velikanske eksplozije, ki je ustvarila vso snov v vesolju in prostor-čas, iz katerega je sestavljeno vesolje samo. Veliki pok se je začel kot točka skoraj neskončne gostote in nič volumna: singularnost. Nato se je hitro razširil na velikost atomskega jedra, kjer pride v poštev fizika delcev. Da bi razumeli, kako so najzgodnejši trenutki velikega poka vplivali na vesolje, kakršno je danes, moramo uporabiti to, kar vemo o fiziki delcev, da ustvarimo verjetne kozmološke modele.
Ena od motivacij za ustvarjanje vedno močnejših pospeševalnikov delcev je izvajanje eksperimentov, ki simulirajo fizične okoliščine čim prej v zgodovini vesolja, ko je bilo vse zelo kompaktno in vroče. Kozmologi morajo biti dobro seznanjeni s fiziko delcev, da lahko pomembno prispevajo k temu področju.
Drug ključ do razumevanja razmerja med fiziko delcev in kozmologijo je pogled na preučevanje črnih lukenj. Fizične lastnosti črnih lukenj so pomembne za dolgoročno prihodnost kozmosa. Črne luknje so strnjene zvezde s tako ogromno gravitacijo, da jim niti svetloba ne more uiti. Nekaj časa je veljalo, da črne luknje ne oddajajo sevanja in bi bile večne, kar je za fizike paradoks. Toda Stephen Hawking je na podlagi spoznanj iz fizike delcev teoretiziral, da črne luknje res oddajajo sevanje, ki so ga nato poimenovali Hawkingovo sevanje.
Fizika delcev je zelo pomembna tudi pri raziskavah temne snovi, nevidne snovi, katere obstoj je znan zaradi njenega gravitacijskega vpliva na vidno snov, in temne energije, skrivnostne sile, ki preveva vesolje in povzroča pospeševanje njegovega širjenja. To so osrednja vprašanja sodobne kozmologije.