Transformacja Lorentza jest układem równań, które wyrażają związek pomiędzy zmiennymi przestrzennymi i czasowymi w różnych inercjalnych układach odniesienia. Pozwalają one wyznaczyć współrzędne czasoprzestrzenne ciała w dowolnym układzie inercjalnym, pod warunkiem, że znane odpowiednie wielkości fizyczne w innym inercjalnym układzie odniesienia.
Na rysunku przedstawiono dwa inercjalne układy odniesienia O i O`. Układ O` porusza się ze stałą prędkością v względem nieruchomego układu O. W obydwu układach znajduje się ciało, które porusza się z prędkością o wartości u względem układu O`. Transformacja Lorentza współrzędnych czasoprzestrzennych z układu O na układ O` wygląda w tym przypadku następująco:
\(x'=\gamma(x-vt)\)
\(y'=y\)
\(z'=z\)
\(t'= \gamma \left(t- \frac{v}{c ^{2} }x \right)\)
gdzie: \( \gamma = \frac{1}{ \sqrt{1- \frac{v ^{2} }{c ^{2} } } } \) - tzw. czynnik Lorentza.
Widać, że w przypadku gdy v << c powyższe równania sprowadzają się do postaci:
\(x'=x-vt\)
\(y'=y\)
\(z'=z\)
\(t'=t\)
Jest to tzw. klasyczna transformacja Galileusza.
Ciekawym rezultatem transformacji Lorentza jest fakt, że czas w obydwu układach nie płynie w jednakowym tempie. Im szybciej porusza się układ O`, tym czas w tym układzie płynie wolniej – jest to tzw. dylatacja czasu. Efekt ten jest zauważalny dopiero w przypadku szybkości zbliżonych do prędkości światła w próżni.