Tarp dalelių fizikos ir kosmologijos sričių yra glaudus ryšys, kurį iliustruoja ilga eilė fizikų, dirbančių abiejose vienu metu: Albertas Einšteinas, Stephenas Hawkingas, Kipas Thorne’as ir daugelis kitų. Kosmologija yra visatos ir jos struktūros tyrimas, o dalelių fizika yra pagrindinių dalelių, pvz., kvarkų ir fotonų, mažiausių žinomų objektų, tyrimas. Nors iš pradžių jie gali atrodyti taip nesusiję, kaip bet kas gali būti, kosmologija ir dalelių fizika iš tikrųjų yra glaudžiai susijusios.
Skirtingai nuo sudėtingų sistemų Žemėje, kurios dažnai aprašomos naudojant aukštesnio lygio paaiškinimus, o ne savybes, kylančias iš žemiausių lygių, tarpgalaktiniai ir kosmologiniai reiškiniai yra palyginti paprastesni. Pavyzdžiui, dideliuose erdvės atstumuose tik viena iš keturių gamtos jėgų turi realią įtaką: gravitacija. Nors žvaigždės ir galaktikos yra labai toli ir daug kartų didesnės už mus pačius, turime nepaprastai tikslų vaizdą, kaip jos veikia, remiantis pagrindiniais fiziniais dėsniais, kurie nukreipia jų sudedamąsias daleles.
Labiausiai su dalelių fizika susijusi kosmologijos sritis yra Didžiojo sprogimo, milžiniško sprogimo, kuris sukūrė visą visatos materiją ir erdvėlaikį, iš kurio susideda pati visata, tyrimas. Didysis sprogimas prasidėjo kaip beveik begalinio tankio ir nulinio tūrio taškas: singuliarumas. Tada jis greitai išsiplėtė iki atominio branduolio dydžio, kur atsiranda dalelių fizika. Norėdami suprasti, kaip ankstyviausi Didžiojo sprogimo momentai paveikė visatą, kokia ji yra šiandien, turime panaudoti tai, ką žinome apie dalelių fiziką, kad sukurtume patikimus kosmologinius modelius.
Viena iš motyvų sukurti vis galingesnius dalelių greitintuvus yra atlikti eksperimentus, imituojančius fizines aplinkybes kuo anksčiau visatos istorijoje, kai viskas buvo labai kompaktiška ir karšta. Kosmologai turi gerai išmanyti dalelių fiziką, kad galėtų reikšmingai prisidėti prie šios srities.
Kitas dalykas norint suprasti ryšį tarp dalelių fizikos ir kosmologijos yra pažvelgti į juodųjų skylių tyrimą. Fizinės juodųjų skylių savybės yra svarbios ilgalaikei kosmoso ateičiai. Juodosios skylės yra sugriuvusios žvaigždės, turinčios tokią didžiulę gravitaciją, kad net šviesa negali ištrūkti iš jų gniaužtų. Kurį laiką buvo manoma, kad juodosios skylės neskleidžia jokios spinduliuotės ir būtų buvusios amžinos, o tai yra paradoksas fizikai. Tačiau Stephenas Hawkingas, remdamasis dalelių fizikos įžvalgomis, iškėlė teoriją, kad juodosios skylės iš tikrųjų skleidžia spinduliuotę, kuri vėliau buvo pavadinta Hokingo spinduliuote.
Dalelių fizika taip pat labai svarbi tiriant tamsiąją materiją, nematomą medžiagą, kurios egzistavimas žinomas dėl jos gravitacinio poveikio matomai medžiagai, ir tamsiosios energijos – paslaptingos jėgos, persmelkiančios visatą ir skatinančios jos plėtimąsi. Tai yra pagrindiniai šiuolaikinės kosmologijos klausimai.