2015 年 9 月 14 日首次直接观测到引力波，并于 2016 年 2 月 11 日由 LIGO 和 Virgo 合作宣布。此前，引力波只能通过其对双星系统中脉冲星时间的影响来间接推断。由两个 LIGO 天文台检测到的波形与广义相对论的预测相匹配，引力波源自内向螺旋和一对质量约为 36 和 29 个太阳质量的黑洞的合并，以及随后产生的单个黑洞的“衰荡”洞。该信号被命名为GW150914（来自“引力波”，观测日期2015-09-14）。这也是对双星黑洞合并的首次观察，证明了双星质量黑洞系统的存在以及这种合并可能发生在当前宇宙年龄的事实。

由于许多原因，这一首次直接观测被世界各地报道为一项了不起的成就。直接证明这种波存在的努力已经进行了 50 多年，而且这些波是如此微小，以至于阿尔伯特·爱因斯坦本人怀疑它们是否能被探测到。 GW150914 的灾难性合并发出的波作为时空中的涟漪到达地球，将 4 公里 LIGO 臂的长度改变了质子宽度的千分之一，其比例相当于改变了与太阳外最近恒星的距离系统由一根头发的宽度。双星在盘旋在一起并合并时释放的能量是巨大的，总能量为 3.0+0.5−0.5 c2 太阳质量（5.3+0.9−0.8×1047 焦耳或 5300+900−800 敌人）作为引力波辐射，在其最后几毫秒内达到约 3.6+0.5−0.4×1049 瓦的峰值发射率——这一水平大于可观测宇宙中所有恒星辐射的所有光的总功率。观测证实了最后一个未被直接探测到的剩余光广义相对论的预测，并证实了其在大规模宇宙事件（称为强场测试）背景下对时空扭曲的预测。它还被誉为开启了引力波天文学的新纪元，这将使观测以前不可能发生的剧烈天体物理事件成为可能，并有可能直接观测宇宙最早的历史。 2016 年 6 月 15 日，又宣布了 2015 年末的两次引力波探测。 2017 年又进行了 8 次观测，​​包括 GW170817，这是第一次观测到的双中子星合并，在电磁辐射中也观测到了这种合并。