Roku 1929 prišiel Hubble na jeden z najväčších objavov astronómie nášho storočia - na rozpínanie vesmíru, ku ktorému dospel porovnaním vzdialeností galaxií s ich radiálnymi rýchlosťami, odvodenými z pozorovaného červeného posunu ich spektrálnych čiar. Radiálnu rýchlosť zmeral Vesto Melvin Slipher (1875-1969) prvýkrát roku 1912 pri galaxii M 31 a neskôr i pri viacerých ďalších. Hubble sa pri svojom objave opieral o merania Sliphera a Miltona Humasona (1891-1972). Objavom guľových hviezdokôp v galaxiách roku 1934 dokázal Hubble podobnosť medzi špirálovými galaxiami a našou hviezdnou sústavou. Spektrálnym výskumnom galaxií sa zaoberal najmä Carl Keenan Seyfert (1911-1960), ktorý roku 1943 objavil galaxie (pomenované po ňom) s búrlivými pohybmi plynových más v ich jadrových oblastiach; boli to prvé objavené galaxie s aktívnymi jadrami. V určovaní presných vzdialeností galaxií sa dosiahol podstatný pokrok pozorovaniami na novopostavenom 5 m ďalekohľade observatória na Mount Palomare (uvedený do činnosti roku 1948). Roku 1952 W. Baade zistil, že jestvujú dva druhy premenných hviezd cefeíd, ktoré sa používali ako základ fotometrického určovania vzdialenosti galaxií. Tento objav vyvolal revíziu škály mimogalaktických vzdialeností, a tým aj spresnenie Hubblovej konštanty, vyjadrujúcej rýchlosť rozpínania vesmíru.

Expanzia celého známeho vesmíru, zistená a neskôr definitívne potvrdená pozorovaniami, našla svoje teoretické vysvetlenie v nestacionárnych modeloch vesmíru, ktoré teoreticky odvodil už pred Hubblovým objavom v rokoch 1922-1924 leningradský matematik Alexandr Alexandrovič Fridman (1888-1925) na základe všeobecnej teórie relativity, sformulovanej roku 1916 geniálnym fyzikom Albertom Einsteinom (1879-1955). Nezávisle od Fridmana odvodil nestacionárne modely vesmíru Georges Edouard Lemaître (1894-1966), ktorý ich navyše dal do súvisu s objavenou expanziou vesmíru a dospel k záveru o horúcom, superhustom začiatku vývoja nášho vesmíru. Teóriu začiatku vývoja vesmíru mohutnou explóziou - big bangom - teoreticky dôkladne rozpracoval roku 1948 George Anthony Gamow (1904-1968). Náš vesmír sa podľa tejto teórie, potvrdzovanej novšími objavmi, začal vyvíjať približne pred 15 miliardami rokov.