באותה תקופה חלו גם התפתחויות באסטרונומיה התצפיתית שהביאו להכרה בכך שהיקום מתפשט. ב-1912 פרסמה האסטרונומית האמריקנית הנרייטה ליוויט את גילויה שיש קשר בין הבהירות המוחלטת של כוכבים משתנים מסוג קפאידים לבין זמן המחזור שלהם - דבר שאיפשר למדוד את מרחקם על ידי השוואת הבהירות הנראית לבהירות המוחלטת, ולהשתמש בהם כ"נר תקני". ב-1923 הצליח האסטרונום האמריקני אדווין האבל לזהות לראשונה משתנה קפאידי בערפילית אנדרומדה. מדידת המרחק הראתה שהערפילית היא מחוץ לשביל החלב, ובכך הכריע את הוויכוח ארוך השנים האם קיימות גלקסיות מחוץ לשביל החלב. מדידת המרחקים לגלקסיות נוספות, והשוואת למדידת ההסחה לאדום של האור מהן לפי אפקט דופלר, הראו שהגלקסיות מתרחקות זו מזו במהירות פרופורציונית למרחק ביניהן, דבר שמראה כי היקום עצמו מתפשט. האבל פרסם מסקנה זו, שמכונה היום "חוק האבל", ב-1929.
פרסום חוק האבל הוביל להתעניינות בעבודתם של פרידמן, שנפטר בינתיים, ושל למטר. ב-1930 הסב ארתור אדינגטון את תשומת לב הקהילה המדעית למאמרו של למטר מ-1927 שחזה את התפשטות היקום. למטר חזר לעסוק בנושא, ובהרצאה בלונדון הציג לראשונה את הרעיון שהיקום התפשט מנקודה התחלתית, לה הוא קרא "האטום הקדמוני". ב-1931 קיבל גם איינשטיין את רעיון היקום המתפשט, והכריז על כך בעת ביקור אצל האבל במצפה הכוכבים בהר וילסון. הוא גם חזר בו מרעיון "הקבוע הקוסמולוגי", אותו כינה "הטעות הגדולה בחיי".
למרות התמיכה של איינשטיין, מודל "המפץ הגדול" היה עדיין רחוק מלהתקבל כקונצנזוס בקהילה המדעית. במהלך שנות ה-20 וה-30 של המאה ה-20 כמעט כל הקוסמולוגים הבכירים תמכו במודל של מצב יציב נצחי, חלקם בטענה כי מודל של יקום עם התחלה מייבא רעיונות דתיים. טענה זו הסתמכה גם על העובדה שלמטר עצמו היה כומר קתולי. במשך השנים פותחו תאוריות שונות שהסבירו את התפשטות היקום שהוכחה בתצפיות של האבל מבלי להניח שליקום הייתה התחלה, כולל את מודל מילן, מודל של יקום מחזורי (במקור הוצע יל ידי פרידמן אבל נתמך על ידי איינשטיין וריצ'רד טולמן) ורעיון האור המתעייף של פריץ צוויקי.
לאחר מלחמת העולם השנייה צמחו שתי תאוריות אפשריות שונות. האחת הייתה תאוריית המצב היציב של פרד הויל, ולפיה היקום מתפשט בצורה קבועה תוך כדי שבמרחבי היקום נוצר חומר באופן מתמיד. על פי מודל זה היקום הוא פחות או יותר זהה בכל נקודת זמן. השנייה הייתה תאוריית המפץ הגדול של למטר, שנתמכה ופותחה על ידי ג'ורג' גאמוב שהציג את הסינתזה הגרעינית הקדמונית. עמיתיו רלף אלפר ורוברט הרמן חזו את קיומה של קרינת הרקע הקוסמית. באופן אירוני, היה זה הויל שטבע את המושג שהפך לשמה של התאוריה של למטר, בהתייחסו ל"רעיון המפץ הגדול" בזמן שידור תוכנית רדיו של ה-BBC במרץ 1949. בעיה מרכזית שעמדה בפני תומכי "המפץ הגדול" הייתה שגיל היקום כפי שהתקבל מהתצפיות של האבל עמד על פחות משני מיליארד שנה, בעוד ההערכות לגבי גיל כדור הארץ עמדו באותה תקופה על כ-3.4 מיליארד שנה. בעיה זו נפתרה רק בשנות ה-50, כשהאסטרונומים ואלטר באדה ואלן סאנדייג' מצאו פגמים ניכרים בהערכות המרחקים לגלקסיות עליהן התבסס האבל. לזמן מה, התמיכה בשתי התאוריות הייתה מפוצלת ובסופו של דבר הראיות התצפיתיות החלו לנטות לטובת מודל המפץ הגדול. הגילוי והאישוש של קרינת הרקע הקוסמית ב-1964 הבטיח את היותו של המפץ הגדול כהסבר הטוב ביותר למוצאו והתפתחותו של היקום. רוב המחקרים בקוסמולוגיה כיום כוללים את הבנת היווצרות הגלקסיות לפי המפץ הגדול, הבנת הפיזיקה של היקום בתקפות קדומות וישור קו של תצפיות עם התאוריה.
בשנים 1968 ו-1970 פרסמו רוג'ר פנרוז, סטיבן הוקינג וג'ורג' אליס מאמר בו הראו כי סינגולריות מתמטיות היו תנאי מקדים הכרחי עבור מודלים יחסותיים של המפץ הגדול. מאז, משנות ה-70 ועד שנות ה-90 של המאה ה-20, קוסמולוגים עבדו על אפיון התכונות של היקום על פי המפץ הגדול ופתרון בעיות בולטות. ב-1981 עשה אלן גות' פריצת דרך בפתרון מספר בעיות בולטות בתאוריית המפץ הגדול עם הצגת תקופת התפשטות מהירה ביקום הקדום שנקראת אינפלציה קוסמית. באותם עשורים התעוררו גם שאלות בנוגע לצפיפות החומר ביקום וערכו המדיוק של קבוע האבל.
באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20, תצפיות על צבירים כדוריים מסוימים הצביעו כי גילם הוא כ-15 מיליארד שנה, בניגוד לרוב הערכות גיל היקום דאז. בעיה זו נפתרה מאוחר יותר כאשר סימולציות מחשב חדשות, אשר לקחו בחשבון את אפקט אובדן המסה כתוצאה מרוח כוכבים (Stellar wind), הצביעה כי גיל הצבירים הכדוריים הוא צעיר הרבה יותר.
מאז שנות ה-90 נעשתה התקדמות ניכרת בקוסמלוגיה של המפץ הגדול כתוצאה מהתקדמות טכנולוגיית הטלסקופ יחד עם ניתוח מידע שנאסף על ידי לוויני מחקר שונים כגון COBE, טלסקופ החלל האבל ו-WMAP. מאז יש לקוסמולוגים מדידות די מדויקות של פרמטרים רבים של מודל המפץ הגדול והגיעו לתגלית בלתי צפויה שלפיה התרחבות היקום מאיצה.
אישוש תצפיתי לתאוריה.
התפשטות היקום.
ניתן להבחין בשינויים במרחק בין גלקסיות ביקום על ידי הקרינה האלקטרו-מגנטית, שכוללת גם את האור הנראה, אותה הן פולטות. שינוי בתכונות גל האור יכול להעיד על השינוי במרחק אותו עבר; כאשר גל האור מתרחק מנקודה מסוימת, אורך הגל עולה, התדירות יורדת ומתרחשת הסחה לאדום. מקרה הפוך, בו גל האור מתקרב אל נקודה מסוימת, גורם להסחה לכחול. תופעה פיזיקלית זו מוסברת על ידי אפקט דופלר.
לפי תצפיות וניתוחן על ידי האסטרונום האמריקני אדווין האבל ועמיתו למחקר מילטון יומאסון בשנת 1929, נמצאה הסחה לאדום בספקטרום הגלקסיות, המעיד על כך שהגלקסיות מתרחקות זו מזו וכי מהירות התרחקותן פרופורציונית למרחקן, במה שידוע כקבוע האבל.
התגלית ניתנת להסבר על ידי שתי אפשרויות; האחת היא שכדור הארץ נמצא במרכז ההתפשטות, כלומר בנקודה אשר ממנה מתרחקות כל הגלקסיות והשנייה היא שהיקום מתפשט בצורה אחידה לכל עבר. האפשרות הראשונה לא תיתכן על פי העיקרון הקופרניקני, אך האפשרות השנייה נחזתה על ידי אלכסנדר פרידמן וז'ורז' למטר, עוד לפני התגלית של האבל.
את קצב התפשטות היקום והתרחקות הגלקסיות זו מזו ניתן להסביר בעזרת חוק האבל. כמו כן ניתן גם לחשב לאחור את גיל היקום שמוערך בכ-13.819 מיליארד שנים.
החוק מוגדר כך:
כאשר,
קרינת הרקע הקוסמית.
בסביבות שנת 1950 העריכו הקוסמולוגים ג'ורג' גאמוב, רלף אלפר ורוברט הרמן כי היקום, בראשיתו, היה צפוף ולוהט עד כדי כך שקרינה לא יכלה לחדור מבעד לאלקטרונים החופשיים. רק לאחר תקופה של כ-380,000 שנה בה היקום התפשט, צנחה הטמפרטורה מספיק כך שהאלקטרונים והפרוטונים יכלו להתחבר וליצור את האטומים הראשונים. כתוצאה מכך, צפיפות היקום ירדה והקרינה יכלה להמשיך הלאה ולהתפשט בחופשיות ברחבי היקום. לפיכך, ההנחה הייתה כי שרידים של הקרינה מראשיתו של היקום עדיין מתקדמת ביקום וניתן לראותה גם במאה ה-21.
ארנו פנזיאס ורוברט וילסון ממעבדות בל גילו באקראי ב-1965 רעש שלא ידעו מה מקורו, באמצעות גלאי קרינה אלקטרומגנטית רגישים. לאחר שפסלו כל מקור רעש אחר הבינו כי מדובר בקרינת הרקע הקוסמית. הקרינה הקוסמית היא אחידה בכל כיוון ומעידה על קיום מצב של שיווי משקל תרמי ביקום הקדום - הקרינה הקוסמית "נפרדה" משאר החומר ביקום כ-380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. הגילוי היווה אישוש לתחזיתם של גאמוב, אלפר והרמן. על גילוי זה זכו ארנו פנזיאס ורוברט וילסון בפרס נובל לפיזיקה. למטר שמע על התגלית כשהיה על ערש דווי. אחריהם הציעו ווקר ורוברטסון דגמים דומים לדגם של למטר.
מידע שנאסף בטלסקופ BICEP , ופורסם במרץ 2014, הצביע על אי-סדירות בקרינת הרקע הקוסמית שעשויה הייתה להיגרם מגלי כבידה בשלב התפיחה של המפץ הגדול. אחר בדיקה מחודשת של התוצאות פורסם באוקטובר 2014 כי ככל הנראה נפלו טעויות בהערכת הממצאים, וכי לא ניתן לייחס למדידות אלו את קיומם של גלי כבידה בשלב התפיחה של המפץ הגדול. הבהרה של מהות הממצאים התפרסמה על ידי צוות לוויין החלל האירופאי Planck באוקטובר 2014. אישוש מדעי נוסף למודל המפץ נתקבל בעקבות הממצאים הקשורים לקרינה שגילה לוויין המחקר COBE בשנות ה-90 של המאה ה-20 ולוויין המחקר WMAP ששוגר מאוחר יותר.
שכיחות יסודות קדמונים.
לאחר שהיקום התקרר דיו נוצרו היסודות הראשונים בתהליך הסינתזה הגרעינית. ניתן לצפות שהתפלגות החומר ביקום תהיה 75% מימן, 25% הליום-4, כמה אלפיות האחוז של דאוטריום והליום 3, ועשר מיליארדיות האחוז ליתיום. כמו כן ניתן לחשב את ריכוז הליום-4, הליום-3, דאוטריום וליתיום-7 ביקום ביחס לכמות אטומי מימן רגיל (כלומר שאיננו איזוטופ). היחס, במסה, שנחזה הוא כ-0.25 עבור הליום-4/מימן, כ-10−3 עבור דאוטריום/מימן, כ-10−4 עבור הליום-3/מימן וכ-10−9 עבור ליתיום-7/מימן.
התצפיות אינן חד משמעיות. על חלק מהתחזיות יש הסכמה רחבה (כדוגמת דאוטריום) ועל חלק אי ודאות (כדוגמת ליתיום). למרות זאת, העקביות בכמות שנחזית על ידי הסינתזה הגרעינית מהווה ראייה למפץ הגדול מאחר שהתאוריה היא היחידה שיכולה להסביר את היחס בין היסודות וכי לא ייתכן שהמפץ הגדול יצור כמות גדולה או נמוכה מ-20–30% של הליום.
היווצרות הגלקסיות.
תצפיות על המבנה והתפוצה של גלקסיות וקוואזרים מאמתות את התחזית של תאוריית המפץ הגדול כי הגלקסיות והקוואזרים הראשונים נוצרו כמיליארד שנה לאחר המפץ הגדול וכי מאז עוד מבנים גדולים נוצרו והתהוו, כגון צבירי גלקסיות וצבירי-על.