This work and its companion paper, Amon et al. (2021), present cosmic shear measurements and cosmological constraints from over 100 million source galaxies in the Dark Energy Survey (DES) Year 3 data. We constrain the lensing amplitude parameter $S_8\equiv\sigma_8\sqrt{\Omega_\textrm{m}/0.3}$ at the 3% level in $\Lambda$CDM: $S_8=0.759^{+0.025}_{-0.023}$ (68% CL). Our constraint is at the 2% level when using angular scale cuts that are optimized for the $\Lambda$CDM analysis: $S_8=0.772^{+0.018}_{-0.017}$ (68% CL). With cosmic shear alone, we find no statistically significant constraint on the dark energy equation-of-state parameter at our present statistical power. We carry out our analysis blind, and compare our measurement with constraints from two other contemporary weak-lensing experiments: the Kilo-Degree Survey (KiDS) and Hyper-Suprime Camera Subaru Strategic Program (HSC). We additionally quantify the agreement between our data and external constraints from the Cosmic Microwave Background (CMB). Our DES Y3 result under the assumption of $\Lambda$CDM is found to be in statistical agreement with Planck 2018, although favors a lower $S_8$ than the CMB-inferred value by $2.3\sigma$ (a $p$-value of 0.02). This paper explores the robustness of these cosmic shear results to modeling of intrinsic alignments, the matter power spectrum and baryonic physics. We additionally explore the statistical preference of our data for intrinsic alignment models of different complexity. The fiducial cosmic shear model is tested using synthetic data, and we report no biases greater than 0.3$\sigma$ in the plane of $S_8\times\Omega_\textrm{m}$ caused by uncertainties in the theoretical models.

We present constraints on extensions of the minimal cosmological models dominated by dark matter and dark energy, $\Lambda$CDM and $w$CDM, by using a combined analysis of galaxy clustering and weak gravitational lensing from the first-year data of the Dark Energy Survey (DES Y1) in combination with external data. We consider four extensions of the minimal dark energy-dominated scenarios: 1) nonzero curvature $\Omega_k$, 2) number of relativistic species $N_{\rm eff}$ different from the standard value of 3.046, 3) time-varying equation-of-state of dark energy described by the parameters $w_0$ and $w_a$ (alternatively quoted by the values at the pivot redshift, $w_p$, and $w_a$), and 4) modified gravity described by the parameters $\mu_0$ and $\Sigma_0$ that modify the metric potentials. We also consider external information from Planck CMB measurements; BAO measurements from SDSS, 6dF, and BOSS; RSD measurements from BOSS; and SNIa information from the Pantheon compilation. Constraints on curvature and the number of relativistic species are dominated by the external data; when these are combined with DES Y1, we find $\Omega_k=0.0020^{+0.0037}_{-0.0032}$ at the 68% confidence level, and $N_{\rm eff}<3.28\, (3.55)$ at 68% (95%) confidence. For the time-varying equation-of-state, we find the pivot value $(w_p, w_a)=(-0.91^{+0.19}_{-0.23}, -0.57^{+0.93}_{-1.11})$ at pivot redshift $z_p=0.27$ from DES alone, and $(w_p, w_a)=(-1.01^{+0.04}_{-0.04}, -0.28^{+0.37}_{-0.48})$ at $z_p=0.20$ from DES Y1 combined with external data; in either case we find no evidence for the temporal variation of the equation of state. For modified gravity, we find the present-day value of the relevant parameters to be $\Sigma_0= 0.43^{+0.28}_{-0.29}$ from DES Y1 alone, and $(\Sigma_0, \mu_0)=(0.06^{+0.08}_{-0.07}, -0.11^{+0.42}_{-0.46})$ from DES Y1 combined with external data, consistent with predictions from GR.