世界で始めて望遠鏡を使って夜空を観察したのは，「それでも地球は動く」という言葉で有名なイタリア人，ガリレオ・ガリレイでした．ガリレオは，1609年(江戸時代の始め頃)，にオランダで望遠鏡が発明されたという話を聞き，自分でレンズを作って天体望遠鏡を作り上げたのです．この望遠鏡を使って，ガリレオは数々の発見をしました．金星が満ち欠けすることは，惑星が月と同じように，太陽の光を反射して光っていることを意味していました．また，目では白い雲のつながりのように見える天の川が，無数の星の集まりである，という発見もありました．こうした星は，太陽のように自分で光を出す天体であると考えました．そのような天体のことを恒星といいます．
ガリレオの時代から150年ほど後，イギリスにウィリアム・ハーシェルというドイツ生まれの音楽家がいました．ハーシェルはもともとオーボエやオルガンの演奏家として活動していたのですが，当時としては最高の性能の天体望遠鏡を自分の手で作り上げ，天文学者としても有名になっていました．1781年，天体の位置や種類を精密に記録した地図を作るために観測をしていたハーシェルは，偶然，恒星の間を移動していく天体を見つけました．恒星は星座を作り，短い間にお互いの位置関係が変わることはありません．恒星の間を移動することは，この天体が月や惑星のような太陽系の一員であることを示していました．ハーシェルの観測した結果を調べたフランスの数学の天才，ピエール・ラプラスは，この天体が太陽の周りをまわる道すじを計算し，土星よりさらに太陽から離れたところを動いていることを証明しました．これが天王星で，望遠鏡による初めての惑星の発見となりました．
しかし，ハーシェルの本当の研究目的は，宇宙の構造がどうなっているか，ということを調べることにありました．星の地図作りもそうした研究の方法の１つでした．地図を作りながら，ハーシェルは二重星や星雲といったいろいろな種類の天体の位置を記録したカタログを何種類も作りました．例えば，星雲のカタログでは，形の特徴などから星雲を何種類にも分類してあり，その中には形が惑星のようにみえる惑星状星雲などもありました．こうしたカタログ作りや宇宙の地図作りを通じて，ハーシェルは，宇宙は天の川を中心に円盤のような形をしているのではないか，そして，太陽はそうした円盤の真ん中にあるのであろう，と推理しました．円盤形の恒星の集まりを真横からみているので，これが川のように見えるのだろう，というのです．これは．科学的な証拠から，天の川銀河の形を初めて明らかにした仕事でした．
ハーシェルからさらに100年後，今度はアメリカの天文学者ハーロー・シャプレーが，ふたたび天の川銀河の形に挑戦しました．球状星団や散開星団カタログを作っていたシャプレーは，球状星団が天の川銀河をとりまいて，ある半径の球の内部にあることに気づきました．これが天の川銀河の範囲ということになると，その中心は太陽系からずっと離れたところにあることになります．この発見により，太陽系は宇宙の中心にあるのではなく，もはや天の川銀河のはじにあるごくあふれた恒星の１つであるということになりました．
この後，宇宙の地図作りは，天の川銀河の外側がどうなっているかを調べる，という方向に進みます．天の川銀河のまわりには，マゼラン雲やアンドロメダ銀河など，いくつかの銀河が集まって銀河群を作っています．さらに，おとめ座の方向を調べると，もっとたくさんの銀河が集まって，銀河団とよばれる構造を作っていることが知られていました．しかし，科学者たちは，ところどころに銀河団のように密集しているところはあるものの，宇宙の天体は，全体としてむらなくちらばっているのだろうと予想していました．1986年，アメリカのマーガレット・ゲラーが，1700個の銀河が，天の川銀河から見てどのように散らばっているか，という地図を発表しました．科学者たちの予想に反して，ゲラーが発表した地図では，銀河が集まって壁のようになっているところと，銀河がまったくなくて空洞（ボイド）になっているところがくっきり分かれていました．これが現在しられている最も大きな宇宙の構造です．このような構造は宇宙が生まれた時から存在しており，それが膨張することによって引きのばされたのだ，と考えられています．