引力波的觀測意義不僅在於對廣義相對論的直接驗證，更在於它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑，就像觀測天文學從可見光天文學擴展到全波段天文學那樣極大擴展人類的視野。英國天文物理學大師霍金表示，他相信這是科學史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發現它們的能力，有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統，是首度觀察到黑洞融合。”
傳統的觀測天文學完全依靠對電磁輻射的探測，而引力波天文學的出現則標誌着觀測手段已經開始超越電磁相互作用的範疇，引力波觀測將揭示關於恆星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。
因爲引力波直接聯繫着波源整體的宏觀運動，而非如電磁波那樣來自單個原子或電子的運動的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測到的完全不同。例如對一個雙星系統觀測到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關於波源運動的宏觀信息通常無法從電磁輻射觀測中取得。
如果比較波長與波源尺寸的關係，宇宙間的引力波並不像電磁波那樣波長比波源尺寸小很多，這使得引力波天文學通常不能像電磁波天文學那樣對波源進行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質。大多數引力波源很難或根本無法通過電磁輻射直接觀測到（例如黑洞），這個事實反過來也成立；考慮到一般認爲宇宙間不發射任何電磁波的暗物質所佔比例要遠大於發射電磁波的已知物質，暗物質與外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文學對這些暗物質的觀測具有重要意義。
引力波與物質的'相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會像電磁波那樣容易發生衰減或散射，這意味着它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播，這爲直接觀測大爆炸提供了僅有的可能。
從科學上講，引力波的發現爲我們打開了研究宇宙的全新窗口，射電、光學、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來自於光子攜帶的信息，引力波攜帶着與電磁波截然不同的信息，將爲我們揭示宇宙新的奧祕，比如黑洞與黑洞併合時的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發出的原初引力波，那將爲我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。“就好比，人類以前以爲自己只有一雙能夠看見外界的眼睛（電磁波探測），現在發現自己還有一雙能夠聽見外界的耳朵（引力波探測）。”
