1920年4月26日，距阿尔伯特·爱因斯坦成名约半年后，美国华盛顿的史密森尼国家自然历史博物馆内举办了一场世纪天文大辩论。天文学家就“螺旋星云”的本质展开了激烈的讨论，他们想要知道的是，银河系是否是宇宙的全部？以哈罗·沙普利为首的天文学家主张银河系就是整个宇宙，螺旋星云不过是银河系内的一些气体云。而以希伯·柯蒂斯为首的一方则认为，螺旋星云实际上是独立的“岛宇宙”，是可以与银河系相媲美的星系。
这场辩论以谁也没有说服对方结束，关于宇宙大小的迷思仍没有得到解决。
1924年，埃德温·哈勃将当时世界上口径最大的胡克望远镜瞄准了夜空中的仙女座星云。在经历了许多个夜晚的搜索后，他终于找到了自己的目标，一颗明亮的造父变星。根据勒维特发现的定律，哈勃计算出了那颗造父变星的距离，从而确认它不在银河系之内，仙女座星云实际上是与银河系相当的星系。哈勃的发现不仅为世纪大辩论画上了句点，也让人们意识到宇宙，远比想象中的巨大。
1929年，在对星系进行观测之后，哈勃再次得出了令人惊讶的结论：距离地球越远的星系，远离我们的速度越快。这意味着什么？过去，甚至连爱因斯坦都认为宇宙应当是静止不变的，但哈勃的观测结果却告诉我们，宇宙正在膨胀！而在哈勃宣布这一发现的两年前，乔治·勒梅特就曾推测宇宙有一个开端。
弗里茨·茲威基或许是天文学领域最不为世人所知的天才。他的特立独行和桀骜不驯使他的研究和预测经常被同事忽视。1933年，兹威基在研究了后发星系团后发现，星系团中的星系运动速度与已知的引力定律预测不符。他大胆的假设，星系团中或许存在着大量看不见的物质，提供了额外的引力来源，他将这些物质称为Dunkle Materie（德语，译为暗物质）。
1960年代是大发现的时代。1963年，马尔滕·施密特探测到了一个强烈的射电源，类星体3C 273。类星体看起来像是一个明亮的恒星，之后天文学家发现，其实类星体是星系中央的活动星系核，其中心包含了一个超大质量黑洞，而在黑洞的周围是一个吸积盘，并且会释放出相对论性喷流。
1964年，当阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时，接收到了一些未知来源的噪音。最终他们发现这些噪音实际上正是伽莫夫等人预测的大爆炸遗留下的热辐射，即宇宙微波背景辐射。这一发现为宇宙起源之争画上了句号。
1974年，天文学家首次发现了脉冲双星系统，间接证明了爱因斯坦预言的引力波。1979年，天文学家观测到了引力透镜效应，验证了茲威基曾经的猜想。如今引力透镜也被应用于暗物质的研究。
1981年，阿兰·古斯提出的宇宙暴胀认为，大爆炸之后，宇宙经历了一次指数式的膨胀。如果是这样，那么以上提到的三个问题就会迎刃而解。
1995年，哈勃太空望远镜对准了大熊座方向的一小片区域，揭示了那看似空无一物的区域背后实际上隐藏着数千颗遥远的星系，这也让我们首次意识到宇宙中可能包含的星系数量远超想象。
2015年9月14日，地球上的激光干涉引力波天文台探测到了来自13亿光年外的双黑洞并合辐射出的引力波，这是人类首次直接探测到引力波，也再一次验证了爱因斯坦的预言。
2020年，新的时代已然开始。相较于100年前，我们对宇宙的了解已经有了长足的进展。现在我们知道，自大爆炸开始，宇宙已经经历了138亿年的演化。在半径约为460亿光年的可观测宇宙内，包含了至少2万亿个星系，每个星系都包含了数量庞大的恒星和行星。而更令人惊奇的是，这些天体只构成了宇宙总质量和能量的5%，余下的则是26%的暗物质和69%的暗能量。