La première observation directe des ondes gravitationnelles a été faite le 14 septembre 2015 et a été annoncée par les collaborations LIGO et Virgo le 11 février 2016. Auparavant, les ondes gravitationnelles n'avaient été déduites qu'indirectement, via leur effet sur la synchronisation des pulsars dans les systèmes stellaires binaires. La forme d'onde, détectée par les deux observatoires LIGO, correspondait aux prédictions de la relativité générale pour une onde gravitationnelle émanant de la spirale intérieure et la fusion d'une paire de trous noirs d'environ 36 et 29 masses solaires et le "ringdown" ultérieur du noir résultant unique trou. Le signal a été nommé GW150914 (d'après "Gravitational Wave" et la date d'observation 2015-09-14). C'était aussi la première observation d'une fusion de trous noirs binaires, démontrant à la fois l'existence de systèmes de trous noirs binaires de masse stellaire et le fait que de telles fusions pourraient se produire à l'âge actuel de l'univers.

Cette première observation directe a été signalée dans le monde entier comme une réalisation remarquable pour de nombreuses raisons. Des efforts pour prouver directement l'existence de telles ondes se sont poursuivis pendant plus de cinquante ans, et les ondes sont si minuscules qu'Albert Einstein lui-même doutait qu'elles puissent jamais être détectées. Les ondes émises par la fusion cataclysmique de GW150914 ont atteint la Terre sous la forme d'une ondulation dans l'espace-temps qui a modifié la longueur d'un bras LIGO de 4 km d'un millième de la largeur d'un proton, proportionnellement équivalente à la modification de la distance à l'étoile la plus proche à l'extérieur du Soleil. Système par la largeur d'un cheveu. L'énergie libérée par le binaire lors de sa spirale et de sa fusion était immense, avec l'énergie de 3,0+0,5−0,5 masses solaires c2 (5,3+0,9−0,8×1047 joules ou 5300+900−800 ennemis) au total rayonnées sous forme d'ondes gravitationnelles , atteignant un taux d'émission maximal dans ses dernières millisecondes d'environ 3,6 + 0,5 à 0,4 × 1049 watts - un niveau supérieur à la puissance combinée de toute la lumière rayonnée par toutes les étoiles de l'univers observable. L'observation confirme le dernier restant directement non détecté prédiction de la relativité générale et corrobore ses prédictions de distorsion de l'espace-temps dans le contexte d'événements cosmiques à grande échelle (connus sous le nom de tests de champ fort). Il a également été annoncé comme inaugurant une nouvelle ère de l'astronomie des ondes gravitationnelles, qui permettra des observations d'événements astrophysiques violents qui n'étaient pas possibles auparavant et permettront potentiellement l'observation directe de la toute première histoire de l'univers. Le 15 juin 2016, deux autres détections d'ondes gravitationnelles, réalisées fin 2015, ont été annoncées. Huit autres observations ont été faites en 2017, dont GW170817, la première fusion observée d'étoiles à neutrons binaires, qui a également été observée dans le rayonnement électromagnétique.