בהקשר של פיזיקה, חלל הטווח - הזמן הוא דפוס מתמטי תערובות מרחב וזמן כמו שני מושגים טבועים לחלוטין. במרחב הזמן הארוך הזה, שם מתרחשים כל האירועים הפיזיים של היקום; זאת על פי תורת היחסות.
איינשטיין היה זה שניסח את הביטוי הזה של מרחב-זמן על בסיס תורת היחסות המיוחדת שלו, הקובעת כי לא ניתן להפריד בין הזמן לשלושת הממדים המרחבים, אלא שכמוהם, הזמן תלוי במצב התנועה של המתבונן. מטבעם, שני צופים ימדדו זמנים שונים. עבור המרווח בין שני אירועים, הבדל זה בזמנים יהיה תלוי במהירות היחסית בין הצופים.
באותו אופן, אם עולה התיאוריה לפיה ליקום יש שלושה ממדים מרחביים פיזיקליים שניתן לצפות בהם, מקובל להחשיב את הזמן כממד הרביעי; השארת מרחב-זמן כמרחב ארבע-ממדי.
חשוב להדגיש כי למרחב-זמן יש מאפיינים גיאומטריים שהם:
מדד: מאפיין זה מסמל זמן מרחב כצמד (m, g), כאשר "m" פירושו סעפת מובחנת סמירית ו"ג "הוא טנסור מטרי.
תוכן חומרי של מרחב זמן: זה ניתן על ידי טנסור דחף האנרגיה, המחושב ישירות ממדידות גיאומטריות מהטנסור המטרי.
תנועת החלקיקים: החלקיקים הנעים בזמן החלל יעקבו אחר קו אורך מינימלי בחלל עקום.
קבוצות הומוגניות, איזוטרופיה וסימטריה: בחלק מזמני החלל יש קבוצות איזומטריות בעלות מימד פחות. מצד שני, זמן מרחב הוא הומוגני כאשר הוא מקיף תת-קבוצה הומאופורמית שמשפיעה על הקואורדינטות המרחביות. תהיה לה איזוטרופיה כללית כאשר יש תת-קבוצה של איזומטריה באחת מנקודותיה.
טופולוגיה: היא קשורה למבנה הסיבתי שלה. לדוגמא, אם יש עקומת זמן סגורה במרחב-זמן, או אם קיימים משטחי-יתר של קוצ'י או קיימים גיאודסיקה שלמה.
לבסוף, במרחב הזמן המשמש בתורת היחסות המיוחדת, ניתן לערבב את שניהם במרחב ארבע-ממדי, שמקורו מה שנקרא זמן-מרחב מינקובסקי, מינקובסקי, כאן נקראים שלושה ממדים מרחביים רגילים ומימד זמן משלים.
