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物理学では、 因果律は、事象の原因が結果の過去の光円錐内にあり、最終的に基本的な相互作用に還元できることを要求する。同様に、原因は未来の光円錐の外側に影響を及ぼすことはできない。[ 1 ] [ 2 ]
因果関係は、人間の観察者のレベルで巨視的に定義することも、原子レベルの基本的な事象について微視的に定義することもできます。強い因果律は光速を超える情報伝達を禁じ、弱い因果律は微視的なレベルで作用し、情報伝達につながる必要はありません。物理モデルは強い因果律に従わずに弱い因果律に従うことができます。[ 3 ] [ 4 ]量子場理論の代数的定式化では、微視的因果律は公理として扱われ、技術的に定式化されていますが、同時に異なる場所で行われた2つの測定は互いに影響を与えないという考えと同等です。[ 5 ] : 250
古典物理学では、原因より前に結果が生じることはあり得ないため、リエナール・ヴィーヘルトポテンシャルの時間軸を先取りした解などは物理的に無意味として却下されます。アインシュタインの特殊相対性理論と一般相対性理論の両方において、因果律とは、原因がその事象の後方（過去）光円錐内にない場合、結果が生じることはないということを意味します。同様に、原因は前方（未来）光円錐の外側に結果をもたらすことはできません。これらの制約は、因果関係として作用する質量とエネルギーが光速よりも速く移動したり、時間を遡ったりすることはできないという制約と一致しています。
因果関係のもう 1 つの要件は、原因と結果が空間と時間を超えて媒介されること (近接性の要件) です。この要件は、過去において非常に大きな影響力を持ってきました。第一に、因果過程 (荷車を押すなど) の直接観察の結果、第二に、ニュートンの万有引力理論 (遠隔作用による地球の太陽への引力) の問題点として、デカルトの渦理論のような機械論的な提案に取って代わったこと、第三に、動的場理論(例えば、マクスウェルの電磁気学やアインシュタインの一般相対性理論) を開発する動機となり、デカルトの理論よりも優れた方法で影響の伝達における近接性を回復したことが挙げられます。[ 6 ]
現代物理学では、因果律の概念を明確にする必要があった。特殊相対性理論では、 「同時」という言葉は観測者に依存する。[ 7 ]その原理は同時性の相対性である。したがって、相対論的因果律は、すべての慣性観測者によれば、原因は結果に先行しなければならないと述べている。これは、原因と結果が時間的間隔によって隔てられており、結果が原因の未来に属するという記述と同等である。時間的間隔が2つの事象を隔てている場合、これは、信号が光速よりも遅い速度でそれらの間に送られる可能性があることを意味する。一方、信号が光速よりも速く移動できる場合、これは因果律に違反する。なぜなら、信号が空間的間隔を越えて送られることを可能にするため、少なくとも一部の慣性観測者にとっては、信号が時間を遡って伝わることになるからである。このため、特殊相対性理論では、光速よりも速い通信は許可されない。
一般相対性理論では、因果律の概念は最も直接的な方法で一般化されています。すなわち、時空が曲がっていても、結果は原因の未来の光円錐に属さなければなりません。量子力学、特に相対論的量子場理論における因果律を研究する際には、新たな微妙な点を考慮に入れる必要があります。これら2つの理論では、因果律は局所性の原理と密接に関連しています。 ベルの定理は、量子もつれを伴う実験における「局所的因果律」の条件が、量子力学によって予測される非古典的な相関をもたらすことを示しています。
こうした微妙な違いはあるものの、因果関係は物理理論において依然として重要かつ有効な概念である。例えば、事象を原因と結果に順序付けできるという考え方は、祖父のパラドックスのような因果関係のパラドックスを防ぐ（あるいは少なくともその概要を示す）ために必要である。祖父のパラドックスとは、タイムトラベラーが自分の祖母に会う前に祖父を殺してしまったらどうなるか、という問いである。年代保護仮説も参照のこと。
カオス理論のバタフライ効果のような物理学の理論は、因果関係における分布定数系の一種の可能性を開く。バタフライ効果理論は次のように提唱している。
「非線形力学系の初期条件のわずかな変化が、システムの長期的な挙動に大きな変化をもたらす可能性がある。」
これは、分散的な因果関係を理解する機会を開くものである。
バタフライ効果を解釈するもう一つの方法は、物理学における因果律の概念の適用と、マッキーのINUS条件で表されるより一般的な因果律の使用との違いを浮き彫りにするものと考えることです。古典物理学（ニュートン力学）では、一般的に、必要かつ十分な条件のみが（明示的に）考慮されます。例えば、質量のある球体が不安定な平衡点から斜面を転がり落ちる場合、その速度は重力によって加速されることで生じると考えられ、球体を動かすために必要だった小さな力は原因として明示的に扱われません。物理的な原因となるためには、結果として生じる効果との間に一定の比例関係がなければなりません。球体の動きの引き金と原因は区別されます。同様に、蝶が竜巻を引き起こすと考えることもできますが、その原因は蝶の動きではなく、すでに存在していた大気エネルギーにあると想定されます。
因果集合理論では、因果関係がさらに重要な位置を占めます。この量子重力へのアプローチの基礎は、デイビッド・マラメントの定理にあります。この定理は、時空の因果構造がその共形クラスを再構成するのに十分であると述べており、共形因子と因果構造を知っていれば時空を知るのに十分です。これに基づいて、ラファエル・ソーキンは、量子重力への根本的に離散的なアプローチである因果集合理論の概念を提案しました。時空の因果構造は半順序集合として表現され、共形因子は各半順序集合要素を単位体積と同一視することによって再構成できます。