同年（1905年），爱因斯坦在相对论以外的两个领域也发现了新的基本规律。他到柏林时，曾花费了大量的精力来研究光和运动的问题。但同时他也认识到，只有从多个不同的角度出发，才有可能在当前问题上取得突破。他意识到可以从光和热、热和运动之间的关系出发，来研究该问题。

人们早就知道热现象和分子的无规则运动有关。温度越高，运动越激烈。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和奥地利科学家、热力学和统计物理学的奠基人之一路德维希·玻耳兹曼（1844—1906）都曾经仔细研究过这种无规则运动粒子的统计学规律。甚至在更早的时候，人们就已经假设分子的动能正比于绝对温度。在麦克斯韦和玻耳兹曼活跃的时代，物质的分子组成论还只是一个受到人们质疑的假设。虽然分子论可以解释很多现象，但是没有直接证据可以证明分子的存在。此外，人们也无法精确测量出诸如单位体积内分子数这种有意义的物理量。1865年，奥地利物理学家罗什米特（1821—1895）等人曾经估算过这一数量，但是他们使用的方法既复杂又不直观。爱因斯坦认为很有必要对这个问题做一个更全面系统的研究，并得到能证明分子运动的更直接的证据。

人们也早就发现，显微镜可见的微小粒子悬浮在密度与之相当的**中时，会持续地做无规则运动。这一现象是苏格兰植物学家罗伯特·布朗（1773—1858）在观察水中悬浮的花粉微粒运动时发现的，因此被称为布朗运动（Brownian motion）。这种现象并不是由外在的容器震动或容器中的水流运动造成的。当温度升高时，布朗运动更加剧烈。因此，布朗运动被认为与分子的热运动有关。根据这一观点，做无规则运动的水分子不停地撞击微粒，使微粒受到各个方向的随机的撞击力，因此发生了被观测到的无规则运动。

1902年，爱因斯坦用一种更简单的形式重述了玻耳兹曼的随机运动理论。他后来将这一方法用于布朗运动的研究中，其结果之简单，出人意料。他证明，分子动能理论（Kinetic theory of molecules）的结论也同样适用于显微镜下可观测的微观粒子。因此，通过用显微镜观察微粒的运动，就能得到观测不了的分子运动的宝贵信息。用这种方法，爱因斯坦推导出一个公式，说明微粒在各个方向的平均位移都与时间的平方根成正比。1905年，他论证了怎样通过可见微粒移动的距离来获得单位体积的分子数。

不久之后，法国物理学家让·佩兰（1870—1942）进行了实际的观测实验，完全证明了爱因斯坦的理论。从此以后，布朗运动的现象一直被作为证明分子存在的最好的“直接”证据之一。