希臘天文學家來自薩斯（Sas）的阿里斯塔庫斯（Aristarchus）被認為是第一個提出宇宙日心模型的人。雖然原文字已經丟失，但阿基米德（Archides）的著作《數沙者》（The Sand Reckoner）中的一個參考描述了阿里斯塔庫斯的日心模型。阿里斯塔庫斯認為恆星離太很遠，並認為這是恆星視差沒有被觀測到的原因，也就是說，當地球繞著太移時，沒有觀測到恆星彼此相對移。事實上，恆星的距離比古代通常假定的距離要遠得多，這就是為什麼恆星視差只能過儀探測到。地心模型與行星視差一致，平行現象被認為是恆星視差不可觀測的原因。對日心說的拒絕顯然相當強烈，克里安西斯（Cleanthes，亞里士多德時代的當代主義者和斯多葛主義的領袖）建議希臘人起訴阿里斯塔庫斯。
在古代支援阿里斯塔庫斯日心模型且留下姓名的天文學家僅有塞琉西亞的塞琉古，他是希臘天文學家，生活在阿里斯塔庫斯之後的一個世紀。據普魯塔克（Plutarch）的說法，塞琉古是第一個過推理來驗證日心模型的人，但不知道他使用了什麼論據。塞琉古關於日心宇宙學的論點可能與汐現象有關。據斯特拉波（Strabo）的說法，塞琉古是第一個指出汐是由於月球的吸引力造的，而汐的高度取決於月球相對於太的位置。就像尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）後來在16世紀所做的一樣。在中世紀，印度天文學家阿耶波多（Aryabhata）和波斯天文學家阿布·瑪沙爾（Abu shar）和艾爾·森加辛（Al-Sijzi）也提出了日心模型。艾爾·森加辛還認為地球在自轉軸上旋轉。
亞里士多德的地心說模型在西方世界被接大約兩千年，直到尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）恢復了阿里斯塔庫斯的日心說模型，即如果地球在自轉軸上自轉，而且太被放置在宇宙的中心，天文觀測資料可以解釋得更合理。正如哥白尼自己指出的，地球自轉的概念非常古老，至可以追溯到菲勞斯（Philolaus，約公元前450年），蓬杜斯（Ponticus）的赫拉克利德斯（Heraclides，約公元前350年）和畢達哥拉斯學派的厄克方圖（Ecphantus）。大約在哥白尼前一個世紀，庫薩（Cusa）的基督教學者尼古拉斯（Nicholas）在他的著作《論無知》（1440年）中也提出地球在其自轉軸上旋轉。納西爾丁·圖西（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轉軸上自轉的經驗證據。日心說被艾薩克·牛頓（Isaac Newton）、克里斯安·惠更斯（Christiaan Huygens）以及後來的科學家所接。牛頓以哥白尼的研究、第谷·布拉赫（Johannes Kepler）的觀測資料以及約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）的行星運定律為基礎，總結出了萬有引力定律。
埃德蒙·哈雷（Ednd Halley，1720年）和讓-菲利普·德·查索（Jean-Philippe de Chéseaux，1744年）獨立地指出，假設無限空間均勻地充滿恆星，這將導致夜間天空與太本一樣明亮的預測，這在19世紀被稱為奧伯斯佯謬（Olbers paradox）。牛頓認為，一個無限空間一致地充滿質會導致無限的力，以及導致質在自引力下向坍的不穩定。1902年，金斯不穩定闡釋了這種不穩定。約翰·海因裡希·朗伯（Johann Heinrich Laert）在1761年早些時候也提出了這樣的宇宙學模型。18世紀天文學的一個重大進步是湯姆斯·萊特（Thos Wright）、伊曼努爾·康德（Ianuel Kant）和其他人對星雲的觀測。
1919年，當胡克遠鏡（Hooker Telescope）建時，主流的觀點仍然是宇宙完全由銀河系組。埃德溫·哈（Edwin Hubble）利用胡克遠鏡在幾個旋渦狀“星雲”（當時還不認為是銀河系外的星系）中識別了造父變星（Cepheid variables），並在1922—1923年間確鑿地證明了仙座星雲（1）和三角座星雲（3）等是銀河系之外完整的星系，從而證明宇宙由眾多獨立的星系組。進一步的研究使人們認識到，太是銀河系中數千億顆恆星之一，而銀河系是宇宙中至兩萬億個星系之一。銀河系中的多數恆星都有行星。在較大的宇宙尺度上，星系在各個方向上分佈均勻、相同，這意味著宇宙既沒有邊緣也沒有中心。在較小的尺度上，星系分佈在星系團和超星系團中，它們在宇宙中形巨大的大尺度纖維狀結構和宇宙空，構一個巨大的泡沫狀結構。20世紀初研究發現，大多數星系有系統的紅移現象，這表明宇宙正在膨脹；藉由對宇宙微波背景輻的觀測，表明宇宙有起源。
關於宇宙進化的流行模型是大炸理論。大炸模型指出，宇宙最早的狀態是一個極其炙熱和集的狀態，宇宙隨後膨脹和冷卻。該模型基於廣義相對論和一些簡化的假設，如空間的同質和同構。有宇宙常數（Lada，Λ）和冷暗質的模型版本（稱為ΛCD型）是最簡單的模型，為宇宙的各種觀測結果提供了相當好的解釋。大炸模型包括星系距離和紅移的相關、氫氦原子的數量比例以及微波背景輻等觀測結果。
