Per "multiverso" si intende un insieme di universi coesistenti e alternativi al di fuori del nostro spaziotempo, spesso denominati dimensioni parallele, che rappresenanto la possibile conseguenza di alcune teorie scientifiche.

Questo insieme di universi coesistenti è previsto da varie teorie, come quella dell'inflazione eterna di Andrej Dmitrievič Linde o come quella secondo cui da ogni buco nero esistente nascerebbe un nuovo universo, ipotesi del fisico Lee Smolin. Le dimensioni parallele sono contemplate anche in tutti i modelli correlati al concetto di D-brane, classe di P-brane inerenti alla teoria delle stringhe.

la denominazione di "universi paralleli" può indurre in errore: con essa infatti non si intende un insieme di universi affiancati l'uno all'altro; essi infatti si compenetrano, ma non interagiscono in alcun modo fra loro.

Il concetto di multiverso viene proposto in modo serio per la prima volta nella cosiddetta "interpretazione a molti mondi" della meccanica quantistica, teoria formulata nel 1957 da Hugh Everett III nella sua tesi di dottorato (The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, abbreviata in MWI); questa interpretazione prevede che ogni misura quantistica porti alla divisione dell'universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati dell'operazione di misura.

Hugh Everett III nel 1964

La teoria del multiverso proposta dalla MWI ha un parametro di tempo condiviso. In molte delle sue formulazioni, tutti gli universi costituenti il multiverso sono strutturalmente identici, e possono esistere in stati diversi anche se possiedono le stesse leggi fisiche e gli stessi valori delle costanti fondamentali. Gli universi costituenti sono non-comunicanti, nel senso che non può esservi un transito di informazioni tra di essi, anche se nell'ipotesi di Everett potenzialmente possono esercitare un'azione reciproca.

Altre interpretazioni della teoria dei molti-mondi sono quella di Copenhagen e quella cosiddetta delle "storie consistenti". In queste ipotesi, lo stato dell'intero multiverso è correlato agli stati degli universi costituiti dalla sovrapposizione quantistica, ed è descritto da una singola funzione d'onda universale. Simili a questa visione sono l'interpretazione a molteplici storie di Richard Feynman e quella di H. Dieter Zeh a molte-menti.

L'interpretazione a molti mondi (Many Worlds Interpretation) non è in grado di spiegare l'apparente universo antropico, perché le costanti fisiche di almeno una parte degli infiniti possibili "mondi" sono le stesse. L'interpretazione a molti mondi può, comunque, spiegare l'esistenza (anche se all'apparenza improbabile) di un pianeta come la Terra (vedasi l'ipotesi detta "Rare Earth hypothesis"): se l'interpretazione a molti mondi fosse corretta, allora esisterebbero così tante copie del nostro universo che l'esistenza di almeno un pianeta come la Terra non è sorprendente.

Nella cosiddetta teoria degli "universi a bolla", invece, ogni disco è un universo a bolla con costanti fisiche diverse da quelle degli altri. Quest'immagine illustra molto schematicamente come il nostro universo possa essere solo uno tra molte (forse infinite) bolle:

La formazione del nostro universo da una "bolla" del multiverso venne proposta da Andrej Linde. Questa teoria si inquadra bene nella teoria ampiamente accettata dell'inflazione cosmica. Il concetto dell'universo a bolle comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un "universo genitore". Alle scale più piccole (quantistiche), la schiuma ribolle a causa di fluttuazioni di energia. Queste fluttuazioni possono creare piccole bolle e cosiddetti wormhole. E' chiamato wormhole  (in italiano letteralmente "buco di verme", ma tradotto in genere col termine galleria di tarlo o cunicolo di tarlo) un ponte di Einstein-Rosen o cunicolo spazio-temporale, cioè essenzialmente una "scorciatoia" nello spaziotempo da un punto dell'universo a un altro, che permetterebbe di viaggiare tra di essi più velocemente di quanto impiegherebbe la luce a percorrere la distanza attraverso lo spazio normale. Il wormhole viene spesso detto galleria gravitazionale.

Una teoria formulata dal fisico Alexander Vilenkin afferma che il multiverso è formato da molti universi, ognuno dei quali si trova eternamente confinato in una bolla in inflazione eterna (cioè in espansione), incluso il nostro. In alcune zone di una bolla, la deformazione dello spazio-tempo è tale da portare alla formazione di una nuova bolla ed aprire un varco verso un nuovo universo; dopo un certo periodo, sempre per effetto della deformazione, la nuova bolla si stacca e si forma un universo del tutto indipendente, senza alcun punto di collegamento con quello di partenza.

Inoltre la "Teoria del Multiverso" conosce una fondamentale argomentazione da parte del fisico David Deutsch, uno dei massimi teorizzatori viventi della computazione quantistica e dei computer quantistici, che prevede proprio nella realizzabilità di tali dispositivi la prova sperimentale di una iper-struttura cosmologica detta appunto multiverso. Nel settembre del 2007 David Deutsch ha presentato quella che viene considerata da alcuni una prova dell'interpretazione a molti-mondi (Breitbart.com, Parallel universes exist - study, Sept 23 2007).