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Alors que l'astronomie étudie des objets concrets dans l'espace, comme les étoiles ou les comètes, la cosmologie étudie la structure de l'univers. Elle cherche à expliquer comment notre univers s'est formé, comment il s'est développé et quelles sont les forces et les lois physiques fondamentales. Aujourd'hui, la plupart des cosmologistes se basent sur la théorie du big bang, appelée modèle standard de la cosmologie. Après le big bang, il y a environ 13,8 milliards d'années, notre univers s'est étendu à partir d'un état extrêmement dense et de températures élevées, et l'espace, le temps et la matière sont apparus. En passant par différentes phases, il a évolué jusqu'à sa forme actuelle.
La cosmologie étudie les ordres de grandeur les plus extrêmes : des forces qui agissent entre les particules élémentaires, comme les électrons, aux forces qui s'exercent entre les galaxies. Pour les petites échelles, les chercheurs s'appuient sur la physique quantique.
Pour les grandes échelles, la théorie de la relativité générale explique l'interaction des objets dans l'espace et le temps. Pour comprendre la structure de notre univers, les trous noirs sont par exemple importants.