At galaksen som jorden tilhører, Melkeveien, er en separat samling stjerner ble ikke bevist før på 1900-tallet. Samtidig ble eksistensen av andre galakser påvist, og man kom snart fram til at universet ekspanderte ettersom de fleste andre galakser forflyttet seg bort fra oss. Jo lengre unna de var, jo raskere forflyttet de seg bort fra oss. Moderne astronomi har også muliggjort oppdagelsen av mange eksotiske objekter, som kvasarer, pulsarer, blasarer og radiogalakser. Disse observasjonene har blitt brukt for å utvikle fysikkteorier for å beskrive enkelte av disse objektene i form av sorte hull og nøytronstjerner. Kosmologien gjorde enorme framskritt i løpet av 1900-tallet, med modellen av Big Bang vel understøttet av bevis fra astronomi og fysikk, for eksempel ved kosmisk bakgrunnsstråling, Hubbles–Lemaîtres lov og den kosmologiske sammensetningen av grunnstoffer i verdensrommet.