Gaia vil danne et ekstremt nøyaktig tredimensjonalt kart over stjernene i Melkeveien og kartlegge deres posisjoner og bevegelser, noe som vil gi forskere presis informasjon om Melkeveiens dannelse og etterfølgende utvikling over tid. De spektrometriske målingene vil gi detaljert informasjon om de fysiske egenskapene til hver enkel stjerne, deriblant dens luminositet, effektive temperatur, gravitasjon og kjemiske sammensetning. Et stort antall kvasarer, galakser, ekstrasolare planeter og himmellegemer i solsystemet vil bli kartlagt samtidig.