الأساس الرياضي للنظرية النسبية الخاصة يتجسّد في مجموعة من العلاقات الرئيسية: تحويلات لورنتز التي تربط الإحداثيات الزمكانية لحدث بين نظامَيْ مرجعٍ يتحركان نسبياً، بحيث تحافظ على ثبات المسافة الزمكانية؛ وخصوصاً أن مربع البُعد الزمكاني الثابت يعبّر عنه بأنّه يساوي ناقص مربع سرعة الضوء مضروباً في مربع الفرق الزمني زائد مجموع مربعات الفروقات المكانية، وبذلك يظل المتباين الزمكاني ثابتاً عبر التحويلات. من ذلك يتبع مبدأ تكافؤ الكتلة والطاقة بصيغة مفادها أن الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء، كما تتبلور علاقة بين الطاقة والزخم تنص على أن مربع الطاقة يساوي مجموع مربع حاصل ضرب سرعة الضوء في مقدار الزخم ومربع حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء. تُعبَّر الكميات الفيزيائية في هذه الصياغة باستخدام المتجهات الرباعية للطاقة والزخم والإحداثيات، وتُظهِر أن معادلات ماكسويل للحقلين الكهربائي والمغناطيسي متوافقة مع قواعد النسبية الخاصة، إذ تبقى على شكلها تحت تحويلات لورنتز، مما يجعل النسبية الخاصة إطاراً موحَّداً لوصف الفيزياء الكلاسيكية الكهرومغناطيسية وحفظ الكميات البنائية مثل الطاقة والزخم في الجملة الزمكانية.