自從愛因斯坦（Einstein）提出狹義相對論和質能關係公式E=mc²之後，說明物質可以轉變為輻射能，輻射能可以轉變為物質。這個結論對質量守恒定律在化學中的應用有何影響呢?實驗結果證明1000g硝化甘油爆炸之後，放出的能量為8.0×10^6J。根據質能關係公式計算，產生這些能量的質量是8.9×10^-8g，與原來1000g相比，差別小到不能用實驗技術所能測定。從實用觀點來看，質量守恒定律是完全正確的。

20世紀以來，人們發現原子核裂變所產生的能量遠遠超過最劇烈的化學反應。1000g 鈾235裂變的結果，放出的能量為8.23×10^16J，與產生這些輻射能相等的質量為0.914g，和原來1000g相比，質量變化已達到千分之一。於是人們對質量守恒定律就有了新的認識。在20世紀以前，科學家承認兩個獨立的基本定律：質量守恒定律和能量守恒定律。科學家則將 這兩個定律合而為一，稱它為質能守恒定律。

1756年俄國M.V.羅蒙諾索夫首先測定化學反應中物質的質量關係，將錫放在密閉容器中燃燒，反應前後質量沒有變化，由此得出結論：“參加反應的全部物質的質量，常等於全部反應產物的質量。”1774年法國A.-L.拉瓦錫重複類似的實驗，並得出同樣的結論。

由於羅蒙諾索夫和拉瓦錫時代所用的天平不夠精密，所以後來又有不少科學家用更精確的方法證明這一定律。例如19世紀中葉，比利時分析化學家J.-S.斯塔用銀和碘製備碘化銀，所得碘化銀的質量與碘和銀的總質量隻相差0.002%。19世紀末，H.H.蘭多爾特用很精密的天平再一次證明這一定律的正確性。

20世紀，愛因斯坦推導出了狹義相對論，他指出，物質 的質量和它的能量成正比，可用以下公式表示：E=mc²式中E為能量；m為質量；光速c=(299792.50±0.10)km/s (一般取300000km/s）。以上公式說明物質可以轉變為輻射能，輻射能也可以轉變為物質。這一現象並不意味著物質會被消滅，而是物質的靜質量轉變成另外一種運動形式。(由於當時科學的局限，這條定律隻在微觀世界得到驗證，後來又在核試驗中得到驗證）所以20世紀以後，這一定律已經發展成為質量守恒定律和能量守恒定律，合稱質能守恒定律。