1911年，E．赫茨普龍建立了第一幅銀河星團的顏色星等圖；1913年，H．N．羅素則繪出了恒星的光譜一光度圖，即赫羅圖。羅素在獲得此圖後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，A．S．愛丁頓提出了恒星的質光關係；1937。1939年，C．F．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，A．阿爾伯特·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，G．D．弗裏德曼發現，根據阿爾伯特·愛因斯坦的場方程，宇宙不一定是靜態的，它可以是膨脹的，也可以是振**的。前者對應於開放的宇宙，後者對應於閉合的宇宙。1927年，G．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，G．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·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。