웜홀은 우주의 시간과 공간의 벽에 난 구멍에 비유할 수 있는데 우주 공간에서 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 통로를 의미하는 것으로 가상으로 만들어진 개념이라고 한다. 예를 들어 사과 표면에 벌레가 있다고 가정해 보면 이 벌레가 사과의 정 반대편으로 가려면 표면을 따라가는 것보다 사과의 중심으로 지나가는 게 더 빠르다. 이때 사과가 중심을 관통하는 웜홀이 생기는데 이 웜홀은 사과의 표면보다 고차원적이면서도 서로 다른 사과의 표면을 이어주는 최단 경로가 된다. 이와 유사한 개념으로 시공간의 다른 지점을 연결하는 고차원적인 구멍이라는 뜻으로 웜홀이라는 이름이 붙여지게 되었다.
또한 웜홀은 위상학적 관점에서 우주 내부 웜홀, 즉 같은 우주의 두 지점 사이의 웜홀 경계가 위상학적으로는 명백하다고 하지만 내부 공간 속의 임의로 닫힌 경로를 연속적으로 줄여 하나의 점으로 만들 수 있는 공간인 단일 연결이 아니라 경계 없이 무한하게 뻗어 나가지 않는 공간인 콤팩트한 시공간의 영역이라는 정의가 내려지기도 한다.
웜홀은 빛도 빨아들이는 블랙홀과 화이트홀의 연결 통로로 화이트홀의 존재 여부가 불투명해지면서 화이트홀이 아닌 블랙홀끼리 연결하는 순간 이동 통로라는 가설이 더 우위에 있다고 한다.
여기서 화이트홀은 이론적으로 블랙홀과 반대 현상으로서 이론상으로만 존재하는데 블랙홀이 사건 지평선을 지나는 그 어떠한 것이라도 다 빨아들이는 역할을 하지만 화이트홀은 블랙홀의 시간적 반전을 의미하면서 화이트홀 자신의 사건의 지평선으로부터 물체를 뱉어내는 원천으로써 행동하게 된다. 블랙홀과 화이트홀은 모두 물체를 끌어당기는 힘을 가지고 있는 것은 동일한 점이지만 이 두 가지의 유일한 차이점은 지평 선상에서의 취하는 행동이다. 즉 블랙홀이 물질을 집어삼키면 웜홀을 통해 반대편으로 나와야 한다는 시선으로 생겨난 것이 화이트홀이다. 사건의 지평선에서 오로지 물체를 빨아들이는 블랙홀과는 다르게 화이트홀의 사건의 지평선은 빛의 속도로 접근하는 그 어떠한 물체로부터도 표면상으로 멀어져서 접근하는 물체도 결코 가로지르지 못한다. 그 이후에는 접근하는 물체가 화이트홀이 소멸할 때 분산되고 재방사된다.
웜홀은 언제라도 빛의 속도를 초과하지 않도록 함으로써 효과적으로 광속보다 더 빠른 이동을 허용할 수 있다. 웜홀을 통해 이동하는 동안 광속 이하의 속력이 사용되며 두 지점이 웜홀 외부의 거리보다 짧은 웜홀로 연결되어 있는 경우 통과하는 데 걸리는 시간은 웜홀을 통과하는 경로를 선택할 때 광선이 여행하는 데 걸리는 시간보다 더 짧을 수 있다.
웜홀은 아인슈타인-로젠의 다리라고도 불리며 블랙홀에 대한 해답을 구할 때 자연스럽게 나오게 되었다. 1916년 아인슈타인-로젠 다리는 루트비히 플랜에 의해 발견되었는데 슈바르츠실트가 그의 해법을 발표한 지 몇 달 후였으며 아인슈타인과 그의 동료 네이션 로젠에 의해 재발견되었고 1935년 그 결과를 발표했다.
전하와 회전이 없는 영원한 블랙홀을 설명하는 슈바르츠실트 계량의 최대 확장 버전의 본질적인 부분으로 이해되는데 여기서 최대 확장이란 시공간이 어떠한 가장자리를 가지고 있지 않아야 한다는 생각을 의미하기도 한다. 자유 낙하 입자의 가능한 시공간의 측 지선에 따른 궤적을 위해 임의대로 입자의 미래나 과거까지 이 경로가 계속할 수 있어야 한다. 하지만 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해서는 입자가 외부에서 사건의 지평을 통해 떨어질 때 들어가는 블랙홀 내부 영역 외에도 별도의 화이트홀 내부 영역도 있어야 한다는 것이 밝혀졌다.
처음에 블랙홀과 화이트홀을 연결해 주는 것이 웜홀이라고 예상하였으나 화이트홀의 존재가 부정확해지면서 그러한 의미로 쓰이지 않게 되었다. 화이트홀이 부정되었다고 웜홀의 존재가 부정되는 것은 아니었지만 이론에서 웜홀의 해가 아주 순간적인 부분에서만 존재하기 때문에 불안정하다는 해석이 크게 좌우했다.
일반 상대성 이론에서 통과 가능한 웜홀의 가능성은 1973년 호머 엘리스의 논문에서 독립적으로 입증된 내용으로 횡단할 수 있는 로런츠 웜홀은 우주의 한 부분에서 한 우주에서 다른 우주로 이동할 수 있거나 같은 우주의 다른 부분으로 아주 빠르게 양방향으로 이동할 수 있게 한다는 내용이다. 엘리스는 엘리스 배수구의 위상과 측 지선을 분석하여 수평선이 없고 특이점이 없으며 양방향으로 완전히 횡단할 수 있음을 보여주었다. 배수구는 진공 시공간에 대한 아이슈타인의 장 방정식의 해 다양체이다. 또한 허나 킵 손 박사는 다른 특정한 조건이 있다면 웜홀을 안정적으로 유지할 수도 있으며 이것을 통해서 우주여행을 할 수 있음을 밝혔다. 이 이론은 더욱 발전하게 되면서 웜홀의 한쪽 입구를 아주 빠르게 이동시켰다가 다시 돌아오게 하면 시간지연 현상이 발생하게 되어 웜홀을 통해 시간 여행의 가능성이 성립되게 되었다.
만약 횡단이 가능한 웜홀이 존재한다면 시간 여행도 허용할 수 있다. 즉 웜홀은 시공간에서 두 지점을 연결해 주기 때문에 원칙적으로 공간뿐만 아니라 시간 여행도 가능하다는 것이다. 웜홀의 특성에 관해 횡단이 가능한 웜홀을 건설하려면 고체, 액체, 기체와는 다른 특성의 물질인 별난 물질이라는 음의 에너지를 가진 물질의 존재가 필요하다.
블랙홀의 조석을 일으키는 힘인 기조력 때문에 웜홀이 있을 필요가 없다는 주장과 아직 화이트홀이 존재한다는 물증도 없어서 웜홀이 없을 것이라는 의견으로 웜홀은 점점 실제 존재하지 않는다는 의견이 지배적이라고 한다. 웜홀의 그 실존에 대한 사실은 아직 미스터리이다.