Istnienie Drogi Mlecznej jako oddzielnej grupy gwiazd stwierdzono w XX wieku wraz z odkryciem innych galaktyk. Wkrótce po tym dowiedziono, że Wszechświat się rozszerza, a większość galaktyk oddala się od Drogi Mlecznej. Odkryto również wiele egzotycznych obiektów, takich jak: kwazary, pulsary, blazary i galaktyki radiowe. Obserwacje tych obiektów wykorzystano do opracowania teorii fizycznych oraz opisów innych zjawisk takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe. Dużego postępu w XX wieku dokonała kosmologia fizyczna. Powszechnie przyjęto Teorię Wielkiego Wybuchu silnie wspieraną przez dowody dostarczane przez astronomów i fizyków, takie jak kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła czy prawo Hubble’a.
W Polsce
Największym osiągnięciem polskiej astronomii była działalność Mikołaja Kopernika (1473-1543), jednak historia astronomii w Polsce sięga czasów przedkopernikańskich. Obecnie znajduje się w Polsce kilka akademickich ośrodków astronomicznych. Najbardziej znanym, obecnie działającym polskim astronomem jest Aleksander Wolszczan.