En relativité générale, l'espace-temps possède une géométrie décrivant le champ de gravitation. La lumière se propage en suivant des trajectoires du plus court chemin de cet espace-temps la géodésique est courbée par la matière.
La déflexion de la lumière par un champ gravitationnel est analogue à la réfraction optique c'est a ce titre qu'un corps massif constitue une lentille.
La deflexion est faible lorsque l'astre est loin, la deflexion est astigmate et antisymétrique, des faisceaux parallèles ne convergent pas en un point et affecte toutes les longueurs d'onde
La position apparente de l'étoile est modifiée et permet de détecter des masses en mouvement.
Il peut y avoir une multiplication d'images d'un même astre ou une diminution de la taille de l'éclat apparent de l'image pour des astres lointains.
La forme des sources peut être modifiée , une source sphérique peut être vue comme une ellipse
L'amplitude de ces effets dépende de la densité du déflecteur, les effets de la distorsion peuvent devenir critique et donner une observation avec des grands arcs et des images multiples
Lorsque les galaxies d'arrière plan sont en dehors des zones critiques, des distorsions restent importantes et donnent des images multiples et des arclets caractéristiques par de fortes déformations.
C'est un outil de choix pour traquer la matière noire aux échelles cosmologique.
Des effets transitoires de lentille sur des étoiles lointaines appelés micro lentille permet de révéler des objets compacts telle que les naines brunes dans le halo de la galaxie.
Les lentilles gravitationnelles amplifient l'intensité des images et permet de voir le lointains invisible au télescope