质能关系即为质量与能量之间的当量关系。在经典物理学中，质量和能量是两个完全不同的概念，它们之间没有确定的当量关系，一定质量的物体可以具有不同的能量；能量概念也比较局限，力学中有
动能、
势能等。
质能关系是狭义相对论的最重要的结果。质能关系将物理学中原来不相干的质量守恒和能量守恒统一起来。在通常的反应中，系统释放出能量，系统内部的质量减小，减小的量是微乎其微的，与其静质量相比小得无法观测。但在核反应中，这一减小量则明显地表现出来。在裂变反应和聚变反应中，系统的静质量可观地改变，反应释放巨大能量。质能关系是核能释放的理论基础。
物体的总质量与其总能量之间的关系，用公式表述为E=mc2，称
质能关系式。式中E表示物体的总能量，m表示物体的总质量，c为光在真空中的速度。质能关系是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论的一个重要结论，核物理及粒子物理的大量实验充分证实其正确性。狭义相对论提出，对于某一参照系，物体的总质量m=m0+mk，式中m0为物体的静止质量，它是与物体运动无关的恒量，mk为物体由于运动而具有的质量，称为动质量，它与物体运动速度有关。总质量m又称相对论质量。该式表明，由于相对论效应，物体运动时，其总质量随速度增大而增大。物体的动质量mk显然，该式只对速度很大的物体才有意义。因为当v<
推论
由质能关系可得出下面结论：
①一个质量为m的物体，必定联系着mc2的能量. 一个能量为E的物体，必定联系着E/c2的质量。物体所蕴藏的不论哪一种形式的能量增加了，其质量也必定增加。由于任何物体具有的质量和能量之间只差一个普适常数——真空中光速的平方(即m与E之间存在着严格的正比关系)，所以物体的质量和它所蕴藏的能量可以互相量度。据此，在核物理及粒子物理学中，常把质量的单位和能量的单位取得相同。这样，光子的静质量为零，电子的静质量为(0.511 003 4±0.000 0014)兆电子伏，质子的质量为(938.279 6±0.002 7)兆电子伏。实验发现最重的粒子质量约为95600兆电子伏。
②一个物体的总质量m发生了△m的变化，则必伴随着有能量的变化△E，根据质能关系式E=mc2，再根据
光速不变原理，可以得刮关式式△E=△m，此式称为质能亏损关系式，即能量的改变和质量的改变成正比，它是质能关系的又一种表述。
③在速度不太大时(v《c)，便得到经典公式Ek=1/2mov2
验证
用实验检验质能关系是通过测量能量(及质量)的转化过程来实现的。在核反应中，这种差别明显地表现出来。在重核裂变和轻核聚变等的核反应中释放出巨大的能量，非常精确地证明了质能关系的正确性。例如：在镭衰变过程中，其质量变化量△m=226.025 36u-226.020 133u=0.005 227u(u为原子质量单位，1u=1.66053886×10^-27 千克)。
根据爱因斯坦质能关系式△E=△mc2，得△E=0.005 227×1.660 32×10×(3×10)焦=4.868兆电子伏。实际测得镭衰变时放出的α粒子的动能也恰为4.868兆电子伏。由于任何静止的物体的一定质量都包含着与其相应的静止能量，镭衰变过程就是把它亏损的这部分静止质量所联系的能量以α粒子动能的形式释放出来。值得注意的是，质能关系仅仅表明质量和能量之间具有一定的数量关系，而绝不能说质量就是能量，或能量就是质量，也绝不能认为质量可以变为能量或能量可以变为质量。事实上，在任何过程中，质量和能量都各自守恒。质量和能量都是物质运动的基本属性，是不可分割的。