2015年1月-2月，太阳系内的五个行星在夜空中清晰可见。我们古老的祖先依赖星空来追踪季节的变化。比如，这样的变化告诉我们哪些动物可以被猎捕了。当农业发展成熟时，像古埃及这样的文明利用恒星来预测什么时候可以种植农作物，以及何时丰收。星空就像是一个巨大的时钟，每年为我们报时。当日蚀或彗星出现的时候，他们认为这些无法预知的事件是神给我们的指示。
今天，我们知道这些现象的出现只是因为空间中轨道和引力作用造成的。
出于宗教的原因，早期的人们很自然的认为地球位处宇宙的中心。当早期的天文学家开始观测星空的时候，有太多的现象他们无法理解。举个例子，为什么火星有时候会逆行，过了一段时间又跟其它的行星往相同的方向运行？基于这些现象，天文学家提出了均伦和本轮来解释太阳和行星在视运动中的速度和方向变化的几何模型。
直到16世纪，一个更简单的解决方法由波兰天文学家哥白尼提出：太阳才是宇宙的中心，地球跟其他的行星同样绕着太阳旋转。这样的一个模型解决了本轮的问题，同时也有其他的支持证据。比如，伽利略在1610年发现木星的几个卫星，这就表明不是所有的天体都是围绕地球旋转的。在当时，这样的想法对宗教是一个巨大的冲击，但是时间总是偏向科学真理的。
我们能够看到行星的运动，但什么造成行星的运动却困扰人类千年。
上帝看到我们的烦恼，于是让苹果砸向牛顿的脑袋，便有了万有引力，我们得知两个天体之间是由引力吸引的。质量越大的物体，引力就越大。到了20世纪初，爱因斯坦重新诠释了引力。他发现，时间会随着不同的参考系而变化，如果你坐在一个接近光速的宇宙飞船内，那么你感受到的时间比生活在地球上人要慢的多。时间最终被理解成是第四维，这对我们理解诸如黑洞或其它大质量天体的极端引力是非常有助的。引力因此被看做是时空的弯曲。
望远镜的发明帮助我们观测到了很多肉眼看不见的天体。1781年，当威廉赫歇尔在给恒星分类的时候，他意外的发现了太阳系的第七大行星——天王星。紧接着于1801年，天文学家发现了谷神星（是一个小行星）。海王星于1846年发现，而冥王星（起初被认为是一颗行星）在1930年被发现。太阳系远比想象中的大，在海王星外有一片充满冰碎残骸的区域——柯伊伯带，估计是很多彗星的栖居之所。
在21世纪初，天文学家发现了更多像冥王星大小的天体位于柯伊伯带附近，于是国际天文联合会决定把这类行星，比如谷神星和冥王星，都归于一个新的分类“矮行星”。
当我们谈及宇宙的时候经常会提到光速和光年这样的概念，科学家很早的时候就精确的测量了光的速度，也就是宇宙速度的极限：300,000公里每秒（在真空中）。光从太阳辐射到地球需要8分钟的时间。离地球最近的恒星系统（半人马座阿尔法星）距离地球约四光年远，离我们最近的仙女座星系则有250万光年。从以上数据来看，基于物理限制，目前我们想要实现星系间的旅行是不太可能。
如果宇宙是从一个奇点开始，并且迅速的向外膨胀，那么在一开始的时候就会拥有无法想象的巨大能量。但是随着时间的流逝，宇宙膨胀的越来越大，而其能量也逐渐消散，冷却，并转化为物质，并演化成如今我们所看到的一切。在1965年，科学家意外的观测到了宇宙大爆炸后残留的余辉。这样的一种背景辐射首先由拉尔夫•阿尔弗在1948年预言。
十多年后，两位贝尔电话实验室的研究人员无意之中发现了他们新造的天线接接收到了一个各向同性的信号。彭齐亚斯和威尔逊无意间的发现其实正是另一个小组在寻找的微波背景辐射。微波背景辐射是大爆炸理论一个有力的证据。
1929年，天文学家埃德温•哈勃发现了宇宙正在膨胀。哈勃是一个兢兢业业的观测者，在加州的威尔逊山天文台上利用100英尺的望远镜做出了许多重大发现。他通过观测星系中的新星来估算他们的亮度，并且计算亮度如何随着距离衰减。基于维斯托•斯里弗的工作基础上，哈勃测量了星系运动的速度，并最终发现了宇宙正在膨胀。
宇宙加速膨胀是天文学的一个重大未解之谜，天文学家提出应该存在某种“反引力”在推开宇宙，也就是所谓的暗能量。科学家已经提出了几个理论来解释暗能量，它或许是时空自身的一种性质。当宇宙膨胀的时候，这些暗能量就被创造并不断的使宇宙加速膨胀。另一个可能的解释来自量子力学，暗能量可能只是粒子的出现和消失，从而创造出的能量。目前我们已知的宇宙只占有5%，另外的95%便是暗能量和暗物质。
水被认为是生命的必要元素，经过长时间的研究我们知道水是太阳系内的比较普遍的元素。在1970和1980年代，航天探测器观测分别在木星、土星以及更远观测到了冰卫星，这在当时非常意外，因为我们太熟悉于没有空气、一片贫瘠的岩石月亮，直到后来我们才开始意识到它们包含着复杂的化学。像木卫二和土卫二等这样的世界被认为是太阳系内地球外最有可能孕育生命的地方。在这些卫星的内部也可能有大量的水存在。
其中一个例子是土卫六，在其上面充满了碳氢化合物（构筑生命的基本元素），该卫星在其表面之下可能存在着一片液态海洋。
随着天文望远镜不断的发展，天文学变得越来越有趣，我们对宇宙的探索进入了一个又一个的黄金时代。比如，NASA预计在2018发射的詹姆斯韦伯空间望远镜，它是哈勃望空间望远镜的后继者。它的任务是调查星系的起源和演化，以及恒星如何诞生等。
另外，预计2024年完成的欧洲极大望远镜，将在地球表面直接揭开宇宙的奥秘。它的任务是寻找地外行星，宇宙的早期时代，星系中央的超大质量黑洞，以及暗物质和暗能量。这些下一代的望远镜同时也将尝试寻找在其它太阳系系统中的类地行星，包括分析它们的大气层、轨道以及起源。最近刚发现的引力波，也已经开启了天文学的一个新时代：引力波天文学。
不依赖于电磁光谱（比如可见光、X射线和红外线），引力波天文学将直接测量时空本身的涟漪，揭示宇宙中那些不可见的大质量物体。