基於同樣的假設，愛因斯坦又得到了看似不相關的結果。如果幾個有質量的物體在結合或分解的過程中，產生了動能或者輻射了能量，那麽在結合或分解過程結束後，它們的總質量將變小。這一過程產生的能量為E=mc2，其中m為質量的損失。這就是關於“質量轉化為能量”（transformation of mass into energy）的定律。在具有質能轉化現象的物理過程中，如果不考慮能量轉化為質量（或質量轉化為能量）的部分，體係的能量就不守恒。
在我們對原子內部結構的認知發展過程中，這一定律起到了意義重大的作用。根據現代原子理論，原子是由占據其大部分質量的帶正電荷的原子核（nucleus）和周圍高速運動的帶負電的電子（electron）組成的。原子核本身也具有複雜的結構，它是由帶正電的質子（proton）和電中性的中子（neutron）構成的。質子即最簡單的原子——氫原子——的原子核，而中子與質子很類似。自然界中發現了各種各樣的原子，它們的差別僅在於質子和中子的數量上，質量更大的原子包含了更多的質子和中子，因此其結構更加複雜。以第二輕的原子——氦原子為例，它的原子核包含了兩個質子和兩個中子。這四個粒子被一種核力堅固地束縛在一起。現代物理的主要問題之一就是研究這種核力的性質。
為了測量原子核中的粒子被束縛在一起的作用力強度，可以將原子核擊碎、讓核中的粒子相互遠離，並測量這一過程所需要的能量。這個能量被稱為原子核的結合能（binding energy）。根據愛因斯坦的理論，粒子結合成原子核時，產生了能量（E），因此結合過程中必然有質量的損失。最終形成的原子核質量比未被束縛在核中的質子與中子質量之和小於E/c2。因此通過測量原子核與自由中子和質子的質量差，就能獲得原子核的結合能。這一類實驗在自然界許多種類的原子中都進行過，並可以根據原子核結合能的強弱將元素分類。另外，這些結果具有重要的參考價值，因為人們還可以根據實驗結果，用中子、質子等粒子轟擊原子核，進行新元素的人工合成。