1905年、アインシュタインは特殊相対性理論を発表した。アインシュタインの相対性理論において、時間と空間は独立した実体とは扱われず、時空という一つの実体に統一される。相対性理論は、ニュートン力学におけるとは異なる慣性座標系間の変換を定める。相対速度の小さな運動に関して、ニュートン力学と相対論は近似的に一致する。このことはニュートン力学の形式に沿って定式化された相対論的力学において明確になる. 1915年、アインシュタインは特殊相対性理論を拡張し、一般相対性理論で重力を説明した。特殊相対論によって、力学と電磁気学の理論は整合的に説明できるようになったが、重力に関してはニュートンの万有引力の法則以上の満足な説明を与えることができなかった。一般相対論によって、重力の作用を含めた包括的な説明ができるようになった。一般相対論において、ニュートンの万有引力の法則は低質量かつ低エネルギーの領域における近似理論と見なすことができた。1911年に、ラザフォードの下で原子の研究が進展し、散乱実験から正の電荷を持つ物質を核とする原子像（ラザフォード模型）が有力視されるようになった。原子核を構成する正電荷の粒子は陽子と呼ばれる。電気的に中性な構成物質である中性子は1932年にチャドウィックによって発見された。1900年代初頭に、プランク、アインシュタイン、ボーアたちは量子論を発展させ、離散的なエネルギー準位の導入によってさまざまな特異な実験結果を説明した. 1925年にハイゼンベルクらが、そして1926年にシュレーディンガーとディラックが量子力学を定式化し、それによって前期量子論は解釈された。量子力学において物理測定の結果は本質的に確率的である。つまり、理論はそれらの確率の計算法を与える。量子力学は小さな長さの尺度での物質の振る舞いをうまく記述する。また、量子力学は凝縮系物理学の理論的な道具を提供した。凝縮系物理学では誘電体、半導体、金属、超伝導、超流動、磁性体、といった現象、物質群を含む固体と液体の物理的振る舞いを研究する。凝縮系物理学の先駆者であるブロッホは結晶構造中の電子の振る舞いの量子力学的記述を1928年に生み出した。第二次世界大戦の間、核爆弾を作るという目的のために、研究は核物理の各方面に向けられた。ハイゼンベルクが率いたドイツの努力は実らなかったが、連合国のマンハッタン計画は成功を収めた。アメリカでは、フェルミが率いたチームが1942年に最初の人工的な核連鎖反応を達成し, 1945年にアメリカ合衆国ニューメキシコ州のアラモゴードで世界初の核爆弾が爆発した。場の量子論は、特殊相対性理論と整合するように量子力学を拡張するために定式化された。それは、ファインマン、朝永、シュウインガー、ダイソンらの仕事によって1940年代後半に現代的な形に至った。彼らは電磁相互作用を記述する量子電磁力学の理論を定式化した。場の量子論は基本的な力と素粒子を研究する現代の素粒子物理学の枠組みを提供した. 1954年にヤンとミルズはゲージ理論という分野を発展させた。それは標準模型の枠組みを提供した. 1970年代に完成した標準模型は今日観測される素粒子のほとんどすべてをうまく記述する。場の量子論の方法は、多粒子系を扱う統計物理学にも応用されている。松原武生は場の量子論で用いられるグリーン関数を、統計物理学において初めて使用した。このグリーン関数の方法はロシアのアブリコソフらにより発展され、固体中の電子の磁性や超伝導の研究に用いられた。
日本海軍が計画した八八艦隊の戦艦3番艦、4番艦として加賀型戦艦の2隻が計画された。その3番艦が本艦（加賀）、4番艦が土佐である。1918年（大正7年）5月15日、加賀および土佐は正式に命名される。同日附で2隻とも『戦艦』として艦艇類別等級表に登録された。1919年（大正8年）1月、海軍は川崎造船所に戦艦加賀の建造を命じた。川崎造船所が建造する大型軍艦としては、榛名、伊勢に続く3隻目となった。起工は1920年（大正9年）7月19日。1921年（大正10年）11月17日午前8時30分、天皇の名代として伏見宮博恭王が参加した他、10万人ともいう観衆が見守る中で進水する。ところが、ワシントン海軍軍縮条約に従い1922年（大正11年）2月5日に建造中止の通達があり、川崎造船所は加賀および愛宕（加賀進水後の船台で建造）の工事作業を中断した。加賀はまず標的艦として新型水雷爆弾の実験をおこなったのちに解体。各種資材や部品は、条約によって巡洋戦艦から航空母艦に改造される巡洋戦艦2隻（天城、赤城）の材料とする計画がたてられる。また金剛型巡洋戦艦の近代化改装を実施するにあたり、加賀ボイラーのうち重油専焼缶(ボイラー)は榛名と霧島へ、石炭混焼缶は川崎造船所で建造予定の給糧艦（間宮）に流用することが内定した。1922年（大正11年）7月8日、加賀は川崎造船所から海軍に引き渡される。7月11日、加賀は特務艦富士に曳航され、護衛の装甲巡洋艦八雲と共に神戸を出発。7月14日、3隻（加賀、富士、八雲）は横須賀へ到着した。同年10月25日、川崎造船所で給糧艦間宮が起工。同艦は解体予定の「加賀」よりボイラー（石炭混焼缶）を転用することになっていたが、加賀の処分延期にともないボイラーが届かず、1923年（大正12年）6月上旬進水の見込みが立たなくなった。1923年（大正12年）9月1日に発生した関東大震災によって横須賀の横須賀海軍工廠で改装中だった天城型巡洋戦艦1番艦天城は大破、修理不能となり破棄される。空母を重要視していた日本海軍は天城の代艦として、急遽加賀を空母へ改造することとなった。加賀ボイラーを搭載予定だった間宮には、天城用ボイラーが送られた。横須賀に繋留されていた加賀は、そのまま横須賀海軍工廠で改造工事を受ける。同年11月19日、戦艦加賀および巡洋戦艦赤城は航空母艦に艦種が改められた。同日附で航空母艦「翔鶴」（初代）の建造中止が通達され、航空母艦として登録された2隻（加賀、赤城）と入れ替わる形で除籍された。昭和2年(1937年)度末(1928年3月31日)までに工事は完成する予定だったが、経費不足と航空艤装の未定部分があるために大きく遅れた。加賀は1928年(昭和3年)3月31日引渡式を行い軍艦旗を掲げ、名目上は竣工とした。同日第4予備艦に指定以後も横須賀海軍工廠小海岸壁で工事を引き続き行った。6月15日第3予備艦に指定された。同年秋に公試運転を行い(9月15日に行われた全力運転公試の写真が残る)、12月4日に行われた横浜沖の大御礼特別観艦式に参列した。12月28日に第2予備艦に指定され、佐世保に回航、引き続き佐世保海軍工廠で残工事を行った。1929年(昭和4年)11月1日、第1予備艦となり、航空機を搭載した。