太陽係概念確立以後，人們開始從科學的角度來探討太陽係的起源。1644年，笛卡兒提出了太陽係起源的“旋渦說”；1745年，布豐提出了一個因大彗星與太陽掠碰導致形成行星係統的“太陽係起源說”；1755年和1796年，康德和拉普拉斯則各自提出了太陽係起源的“星雲說”。現代探討太陽係起源的“新星雲說”正是在康德-拉普拉斯星雲說的基礎上發展起來的。
1911年，赫茨普龍建立了第一幅銀河星團的顏色星等圖；1913年，羅素則繪出了恒星的光譜——光度圖，即赫羅圖。羅素便提出了一個恒星從紅巨星開始，先收縮進入主序，後沿主序下滑，最終成為紅矮星的“恒星演化學說”。1924年，愛丁頓提出了恒星的質光關係；1937～1939年，魏茨澤克和貝特揭示了恒星的能源來自於氫聚變為氦的原子核反應。這兩個發現導致了羅素理論被否定，並導致了科學的恒星演化理論的誕生。
對於星係起源的研究，起步較遲，目前普遍認為，它是我們的宇宙開始形成的後期由原星係演化而來的。
1917年，愛因斯坦運用他剛創立的廣義相對論建立了一個“靜態、有限、無界”的宇宙模型，奠定了現代宇宙學的基礎。1922年，弗裏德曼發現，根據愛因斯坦的場理論，宇宙不一定是靜態的，它可以是膨脹的，也可以是振蕩的。
前者對應於開放的宇宙，後者對應於閉合的宇宙。1927年，勒梅特也提出了一個膨脹宇宙模型。1929年，哈勃發現了星係紅移與它的距離成正比，建立了著名的“哈勃定律”。
這一發現是對膨脹宇宙模型的有力支持。20世紀中葉，伽莫夫等人提出了“熱大爆炸宇宙模型”。他們還預言，根據這一模型，應能觀測到宇宙空間目前殘存著溫度很低的背景輻射。1965年微波背景輻射的發現證實了伽莫夫等人的預言。
從此，許多人把大爆炸宇宙模型看成標準宇宙模型。
1980年，美國的古斯在熱大爆炸宇宙模型的基礎上又進一步提出了“暴漲宇宙模型”。這一模型可以解釋目前已知的大多數重要觀測事實。
（2）宇宙結構觀念的發展
遠古時代，人們對宇宙結構的認識處於十分幼稚的狀態，他們通常按照自己的生活環境對宇宙的構造作幼稚的推測。
在中國西周時期，生活在華夏大地上的人們提出的“早期蓋天說”認為，天穹像一口鍋，倒扣在平坦的大地上；後來又發展為“後期蓋天說”，認為大地的形狀也是拱形的。公元前7世紀，巴比倫人認為，天和地都是拱形的，大地被海洋所環繞，而其中央則是高山。古埃及人把宇宙想象為“以天為盒蓋、大地為盒底”的大盒子，大地的中央則是尼羅河。
古印度人想象圓盤形的大地負在幾隻大象上，而象則站在巨大的龜背上。公元前7世紀末，古希臘的泰勒斯認為，大地是浮在水麵上的巨大圓盤，上麵籠罩著拱形的天穹。
最早認識到大地是球形的是古希臘人。公元前6世紀，畢達哥拉斯從美學觀念出發，認為一切立體圖形中最美的是球形，主張天體和我們所居住的大地都是球形的。這一觀念為後來許多古希臘學者所繼承。但直到1519～1522年，葡萄牙的麥哲倫率領探險隊完成了第一次環球航行後，地球是球形的觀念才最終被證實。
公元2世紀，托勒密提出了一個完整的“地心說”。這一學說認為地球在宇宙的中央安然不動，月亮、太陽和諸行星以及最外層的恒星天都在以不同速度繞著地球旋轉。為了說明行星視運動的不均勻性，他還認為行星在本輪上繞其中心轉動，而本輪中心則沿均輪繞地球轉動。地心說曾在歐洲流傳了1000多年。
1543年，哥白尼提出科學的“日心說”，認為太陽位於宇宙中心，而地球則是一顆沿圓軌道繞太陽公轉的普通行星。1609年，開普勒揭示了地球和諸行星都在橢圓軌道上繞太陽公轉，發展了哥白尼的日心說。同年，伽利略則率先用望遠鏡觀測天空，用大量觀測事實證實了“日心說”的正確性。
1687年，牛頓提出了萬有引力定律，深刻揭示了行星繞太陽運動的力學原因，使日心說有了牢固的力學基礎。在這以後，人們逐漸建立起了科學的太陽係概念。
在哥白尼的宇宙圖像中，恒星隻是位於最外層恒星天上的光點。
1584年，布魯諾大膽取消了這層恒星天，認為恒星都是遙遠的太陽。