希腊天文学家来自萨摩斯（Samos）的阿里斯塔库斯（Aristarchus）被认为是第一个提出宇宙日心模型的人。虽然原文本已经丢失，但阿基米德（Archimedes）的着作《数沙者》（the Sand Reckoner）中的一个参考描述了阿里斯塔库斯的日心模型。阿里斯塔库斯认为恒星离太阳很远，并认为这是恒星视差没有被观测到的原因，也就是说，当地球绕着太阳移动时，没有观测到恒星彼此相对移动。事实上，恒星的距离比古代通常假定的距离要远得多，这就是为什么恒星视差只能通过精密仪器探测到。地心模型与行星视差一致，平行现象被认为是恒星视差不可观测的原因。对日心说的拒绝显然相当强烈，克里安西斯（cleanthes，亚里士多德时代的当代主义者和斯多葛主义的领袖）建议希腊人起诉阿里斯塔库斯。
在古代支持阿里斯塔库斯日心模型且留下姓名的天文学家仅有塞琉西亚的塞琉古，他是希腊天文学家，生活在阿里斯塔库斯之后的一个世纪。根据普鲁塔克（plutarch）的说法，塞琉古是第一个通过推理来验证日心模型的人，但不知道他使用了什么论据。塞琉古关于日心宇宙学的论点可能与潮汐现象有关。根据斯特拉波（Strabo）的说法，塞琉古是第一个指出潮汐是由于月球的吸引力造成的，而潮汐的高度取决于月球相对于太阳的位置。就像尼古拉·哥白尼（Nicolaus copernicus）后来在16世纪所做的一样。在中世纪，印度天文学家阿耶波多（Aryabhata）和波斯天文学家阿布·玛沙尔（Abu mashar）和艾尔·森加辛（Al-Sijzi）也提出了日心模型。艾尔·森加辛还认为地球在自转轴上旋转。
亚里士多德的地心说模型在西方世界被接受大约两千年，直到尼古拉·哥白尼（Nicolaus copernicus）恢复了阿里斯塔库斯的日心说模型，即如果地球在自转轴上自转，而且太阳被放置在宇宙的中心，天文观测数据可以解释得更合理。正如哥白尼自己指出的，地球自转的概念非常古老，至少可以追溯到菲洛劳斯（philolaus，约公元前450年），蓬杜斯（ponticus）的赫拉克利德斯（heraclides，约公元前350年）和毕达哥拉斯学派的厄克方图（Ecphantus）。大约在哥白尼前一个世纪，库萨（cusa）的基督教学者尼古拉斯（Nicholas）在他的着作《论无知》（1440年）中也提出地球在其自转轴上旋转。纳西尔丁·图西（tusi，1201—1274）和阿里·古什吉（Ali qushji，1403—1474）利用彗星天象提供了地球在自转轴上自转的经验证据。日心说被艾萨克·牛顿（Isaac Newton）、克里斯蒂安·惠更斯（christiaan huygens）以及后来的科学家所接受。牛顿以哥白尼的研究、第谷·布拉赫（Johannes Kepler）的观测数据以及约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）的行星运动定律为基础，总结出了万有引力定律。
埃德蒙·哈雷（Edmund halley，1720年）和让-菲利普·德·查索（Jean-philippe de chéseaux，1744年）独立地指出，假设无限空间均匀地充满恒星，这将导致夜间天空与太阳本身一样明亮的预测，这在19世纪被称为奥伯斯佯谬（olbers paradox）。牛顿认为，一个无限空间一致地充满物质会导致无限的力，以及导致物质在自身引力下向内坍缩的不稳定。1902年，金斯不稳定性阐释了这种不稳定。约翰·海因里希·朗伯（Johann heinrich Lambert）在1761年早些时候也提出了这样的宇宙学模型。18世纪天文学的一个重大进步是汤姆斯·莱特（thomas wright）、伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）和其他人对星云的观测。
1919年，当胡克望远镜（hooker telescope）建成时，主流的观点仍然是宇宙完全由银河系组成。埃德温·哈勃（Edwin hubble）利用胡克望远镜在几个旋涡状“星云”（当时还不认为是银河系外的星系）中识别了造父变星（cepheid variables），并在1922—1923年间确凿地证明了仙女座星云（m31）和三角座星云（m33）等是银河系之外完整的星系，从而证明宇宙由众多独立的星系组成。进一步的研究使人们认识到，太阳是银河系中数千亿颗恒星之一，而银河系是宇宙中至少两万亿个星系之一。银河系中的多数恒星都有行星。在较大的宇宙尺度上，星系在各个方向上分布均匀、相同，这意味着宇宙既没有边缘也没有中心。在较小的尺度上，星系分布在星系团和超星系团中，它们在宇宙中形成巨大的大尺度纤维状结构和宇宙空洞，构成一个巨大的泡沫状结构体。20世纪初研究发现，大多数星系具有系统性的红移现象，这表明宇宙正在膨胀；借由对宇宙微波背景辐射的观测，表明宇宙具有起源。
关于宇宙进化的流行模型是大爆炸理论。大爆炸模型指出，宇宙最早的状态是一个极其炙热和密集的状态，宇宙随后膨胀和冷却。该模型基于广义相对论和一些简化的假设，如空间的同质性和同构性。具有宇宙常数（Lambda，Λ）和冷暗物质的模型版本（称为Λcdm模型）是最简单的模型，为宇宙的各种观测结果提供了相当好的解释。大爆炸模型包括星系距离和红移的相关性、氢氦原子的数量比例以及微波背景辐射等观测结果。