哈勃在芝加哥大学学习时，受天文学家海尔启发开始对天文学发生兴趣。他在校时即已获数学和天文学的校内学位，毕业后却前往英国牛津大学学习法律。后来，他终于集中精力研究天文学，并返回芝加哥大学，在威斯康星州的叶凯士天文台工作。在获得天文学哲学博士学位和从军参战以后，他便开始在威尔逊天文台专心研究河外星系并有新发现。
哈勃在1922～1924年期间惊奇发现，星云并非都在银河系内。这是基于他在分析一批造父变星的亮度以后做出的科学断定。这些造父变星和它们所在的星云距离地球远达几十万光年，因而定位于银河系外。这项于1924年公布的发现使天文学家改变了对宇宙的看法。
1925年哈勃根据河外星系的形状对它们进行分类时，他又得出第二个重要的结论：星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速度越高。这一结论的得出意义深远。更重要的是，哈勃于1929年还发现宇宙膨胀的速率是一常数。这个被称为“哈勃常数的速率”，也就是星系的速度同距离的比值。后来经过其他天文学家的理论研究之后，宇宙已按常数率膨胀了100亿～200亿年。
20世纪20年代初，哈勃用当时最大的望远镜观察神秘的仙女座时，发现仙女座中的星云不是银河系的气体，而是一个完全独立的星系。在银河系之外存在许多其他的星系，宇宙比人类想象的要大许多。
至今天文学上使用的星系分类法，是哈勃根据星系结构发明出来的。
由于哈勃对天文学的卓越贡献，他获得许多荣誉称号和奖章。在他的着作中，有《星云光谱的红移》和《哈勃星系图集》，从此哈勃和哈勃望远镜成为当今世界天文学上的专用术语。
第二节星光独白——人类对宇宙400年的凝视
18世纪伟大的数学家、天文学家拉普拉斯曾在他名垂千古的作品《宇宙体系论》中感叹：人类虽然在极渺小的地球上测量天体，而人类自身是何等伟大。
人类在脱离蛮荒仅仅数千年后，竟会向周围广大的太空深渊窥测，远溯往古，探寻宇宙的结构和演化。凡此种种，足以令我们骄傲的同时，又有那么种难以置信的情愫。然而，人们有这样的豪迈感慨，很大程度得益于当时已经诞生了让人类能够“高瞻远瞩”的伟大设备——天文望远镜。
数千年来，人类只能以肉眼观看宇宙。随着光学望远镜的发明，开拓了天文科学的领域。这项聚光成像的仪器使得遥远的物体看起来更近、更大、更亮，我们对天空的看法也随着观测的结果而有不同概念的改变。
1608年，荷兰眼镜商人汉斯·里帕席为海军制造出世界上第一架望远镜，帮助政府击退来犯的西班牙侵略者。次年，近代自然科学的开创者伽利略制造了一架6倍望远镜。接着，他又将自制的20倍望远镜的物镜对准夜空。就这样，伽利略成为天文望远镜的发明者，1609年也成为近代天文学的起点。
60年后，英国科学家牛顿以反射面镜（牛顿式望远镜）取代易产生色差的透镜式望远镜。之后，许多伟大的天文学家精心研究、改进设计的光学望远镜的使用，都带来了令人振奋的星空新发现，也掀起一阵阵的观星和科学研究的热潮，开拓了世人的自然景观视野，更带领欧洲走出文明黑暗的世代。
经过三百多年来的光学望远镜改良，我们不但对于太阳系的行星有了大致的了解，也对于银河系等螺旋状星系、星云有了更多的认识。
近年来，科学家凭借计算机的辅助突破了以往的造镜限制，制造出多面反射镜组成单一影像、拼嵌式、立体摄影等高解析、高画质的望远镜。再加上电子耦合装置配合计算机的问世对天文学产生了深远的影响，强化的影像促使我们对于观测的结果形成许多不同的新见解、新观念。另外，环绕地球运行和观测的哈勃太空望远镜，可免除地球混浊大气层的视野干扰和观测点条件选择的限制，成为有史以来最具威力的望远镜，让我们观看宇宙的视野起了革命性的改变。新近计算机网际网络的发展，使得远方遥控观测和天文知识更加普及。
第三节窥天利器——望远镜应用发展史
1.伽利略
1609年，伽利略利用“光线穿透玻璃时会折射弯曲”的透镜聚光原理，创制“折射式透镜望远镜”，并首次用它对天空进行观测。伽利略看到了太阳黑子、月球上的群山阴影、木星较大的4个卫星以及金星的面相。
2.牛顿
1668年，牛顿创制了第一架反射式面镜望远镜，清楚地观看出木星的8个较大卫星。这样，消除了透镜望远镜产生色差的缺点，且有镜筒短、便宜、易维护等优点。
3.惠更斯
1659年，惠更斯以框架吊透镜代替受风影响的长焦距望远镜筒（元代郭守敬创建的“简仪”中已有去除管子结构的“窥衡”观测装置，这比惠更斯的构思早300多年），首次描绘出土星光环，并修正早期认为土星是3个行星组成而不是一个行星的错误观念。后来，1675年卡西尼更进一步发现土星环上的环缝。
4.威廉·赫歇尔
1782年，威廉·赫瑟尔用12米长、直径30厘米的反射式望远镜，绘制了首张详细的银河天体图。这让我们知道银河系是我们自己所在的星系，其光芒源自其中数十亿的星球与星云。1826年，弗朗哈佛建造了一座直径25厘米的透镜及精巧时控台座可追踪星体移动的望远镜。这项时控装置可追踪穿越天空的星体，使天文学家能绘制出天空星群分布的天体图，清楚地显示出形成银河系的串行星群。
5.威廉·巴森兹
1845年，威廉·巴森兹应用直径1.8米，由磨光金属制成的巨大反射镜观测，首度描绘螺旋状星云，并解释螺旋状星云的形成，而我们现在已经知道银河系外有很多螺旋状星云。
6.叶凯士
1897年，叶凯士使用直径长达1米的叶凯士折射式透镜望远镜（目前仍是全世界最大的折射式透镜望远镜），首度证实银河系是一种螺旋状星系，对测量长期的星球运动相当有用。现在天文学家确证我们所在的银叶凯士望远镜河系形状是螺旋星系。
7.哈勃
1918年，哈勃以具有直径2.5米反射镜的胡克望远镜探索遥远的星系，精确地指出银河中看似微弱的星云，其实是位在距离我们有几百万光年的其他星系中。他的研究有助于天文学家更进一步地了解宇宙的奥秘。
8.加州巴洛马山的海尔望远镜
1947年，架设在美国加州巴洛马山的海尔望远镜，是具有直径5米反射镜的望远镜，它可以实现对可见宇宙的较外边缘的观测。
天文学家利用它对遥远的星系，如仙女座星系，做非常仔细的观测。
他们测量出仙女座星系距离地球二十万亿千米，是先前所知距离的两倍。
9.计算机辅助观测
从1960年代起，当今的天文学家将计算机应用于望远镜所有的设计、架构与操作的各个阶段，促使新一代效能更佳的望远镜来临。
结果产生了许多不同的模式，适用于多种不同的任务。
10.多面反射镜组成单一影像
1977年，凭借计算机的辅助，许多来自反射镜的影像可结合成单一影像。1977年设于美国亚历桑那州霍普金斯山的第一座多面反射镜望远镜（MMT）首次运行。该望远镜有一排6片、直径1.8米的反射镜，可聚集到相当于直径4.5米单片反射镜所聚集的光线。
11.电子耦合装置进一步辅助观测
1986年，电子仪器与计算机的问世对天文学产生了深远的影响，强化的影像促使天文学许多不同新见解的产生。具有电子耦合装置的电子感应器可感测到最微弱的光学讯号，或侦测许多不同种类的辐射。经过计算机处理后，讯号被整理与加强。这些经由电子仪器观测到的讯号传递了清晰的信息。数字处理将极细微的差异放大，显现出原来被地球大气掩藏、以致肉眼看不到的东西。
12.拼嵌式望远镜
拼嵌式望远镜具有成本低廉、修补时易移动的优点。美国夏威夷的凯克望远镜是由36片反射镜拼嵌成一座直径10米的望远镜。
凯克望远镜所观测的物体亮度比海尔望远镜所能见到的强4倍。
13.哈勃太空望远镜
1990年，排除了地球的混浊大气层的视野干扰，哈勃太空望远镜正在距离地表600千米处环绕地球运行和观测。哈勃太空望远镜是有史以来最具威力的望远镜，它让人们观看宇宙的视野起了革命性的改变。
现代，计算机网际网络通畅无阻，使终端个人使用者不受时间和空间的限制，就可结合全球（甚至外层空间中）的观测望远镜进行远方遥控观测，并可立刻结合先进计算机软件进行分析与数字处理。
第四节聚焦长空——星系观测简史
在1610年，伽利略使用他的望远镜研究天空中明亮的带状物——银河，并且发现它是由数量庞大、但光度暗淡的恒星聚集而成的。
1755年，伊曼纽尔·康德借鉴更早期由托马斯·怀特工作完成的素描图，推测星系可能是由数量庞大的恒星转动体，聚集成盘状，经由重力的牵引聚集在一起，就如同太阳系，只是规模更为庞大。康德也猜想某些在夜空中看见的星云可能是独立的星系。
18世纪末，梅耶尔完成了“梅耶尔目录”，收录了103个明亮的星云。不久之后，威廉·赫歇尔也完成了收录多达5000个星云的目录。1845年罗斯勋爵建造了一架新的望远镜，能够区分出椭圆星系和旋涡星系。他也在这些星云中找到了一些独立的点，为康德早先的说法提供了证据。但是，星云仍未能获得一致认同是遥远的星系，直到20世纪20年代早期哈勃使用新的大望远镜才获得确认。
哈勃分辨出旋涡星系外围中单独的恒星，并且辨认出其中有些是“造父变星”，因而可以估计出这些星云状天体的距离：它们的距离实在太远，以致不可能是银河系的一部分。1936年哈勃制订了现在被叫做“哈伯序列”、并至今使用的星系分类法。
第一位尝试描述银河系的形状和太阳位置的天文学家是威廉·赫歇尔。他在1785年小心地计算天空中在不同区域的恒星数目，得到了太阳系在中心的椭圆星系的图像。这与1920年卡普坦得到的结果非常类似，只是比较小些(直径大约1500秒差距)。哈罗·沙普利使用另一种不同的方法，建立在球状星团的分布上，得到了一幅完全不同的图像：一个直径约70000秒差距的扁平盘状，而且太阳在远离中心的位置上。但两者的分析都没有考虑到星际尘埃在银河盘面上造成的光线的吸收的量。罗伯特·朱利叶斯·庄普勒在1930年经由研究疏散星团，确定了银河系的图样。
1944年，亨德力克·赫尔斯特预言氢原子会辐射出21厘米波长的微波，结果在1951年便发现来自星际氢原子的辐射线。
这条辐射线允许对星系做更深入的研究，因为它不会被星际尘埃吸收，并且来自他的多普勒位移能够映射出星系内气体的运动。这些观测导致转动的假定，分辨出在星系中心的棒状结构，配合无线电望远镜，在其他星系的氢原子也能被追踪到。
1970年，维拉·鲁宾研究发现星系可见的总质量(恒星和气体)不能适当说明星系中气体的转动速度。如今星系自转问题已经用于解释未能观察到的大量暗物质。
从1990年开始，哈勃太空望远镜提高了观测的效益，尤其是它确认了神秘的暗物质不可能是在星系中的暗弱小天体。哈勃深空的运用，对天空的一个区域进行极长时间的曝光，提供了宇宙中可能有多达1750亿个星系的可能证据。
随着不可见光的光谱侦测技术上的大力改进(无线电望远镜、红外线摄影机、X射线望远镜)，让人类可以见到连哈勃太空望远镜也看不见的其他星系。特别是对天空中隐匿带（天空中被银河系遮蔽的部分）的星系巡天，揭露了相当数量的新星系。