20世紀20年代後半葉，哈勃研究了星係穿過宇宙的運動。他的研究引導了二十世紀最重大的天文發現，即：“宇宙在膨脹”。對星係運動的研究是V·M·賽禾做的，他發現星係正以300-1800公裏/秒的速度遠離地球。哈勃理解這一發現的重要性，他發展了一項計劃來測量盡可能多的星係的距離和速度。
哈勃在威爾山與他的助手米爾頓·休馬遜測量了星係的運動，他倆將哈勃稱之為“紅色移動”，也就是“彈性效應”理論應用於星係。“彈性效應”解釋了光（聲）波朝你而來或離你而去的波長變化，一個快速離你而去的物體的光波波長會變長，光波呈紅色。反之，一個快速朝你而來的物體的光波波長會變短，光波呈藍色。
哈勃研究了46個星係，證明了星係正在遠離地球，也證明了遠離的速度與星係和地球的距離有直接的關係。哈勃發現越遠的星係，遠離的速度越快，這個科學定律稱之為“哈勃定律”。
哈勃的發現意味著人們對宇宙的概念有了一個重大的變化，即：宇宙一直在運動，一直在變化，也就是宇宙在膨脹。但是，以前人們還以為宇宙是靜止的、不變的。哈勃說：“這意味著宇宙可能開始於一次令人難以置信的大爆炸，也就是宇宙大爆炸。”哈勃繼續研究各個星係，並且又有了新認識。世界各地的天文學家也跟著研究星係。
在第二次世界大戰期間，哈勃離開了威爾遜山天文台，來到了美國戰爭部作研究工作，戰後又回到了威爾遜山。後來，他費了很多精力在美國加利福尼亞州南部建造一個全新的，很大的望遠鏡。這個望遠鏡於1949年建成，鏡片直徑5米，用天文學家喬治·埃拉維·霍爾的姓氏“霍爾”命名。
埃德溫·哈勃是第一個使用霍爾望遠鏡的天文學家，就在他去世前夕，他還打算花4個晚上用霍爾望遠鏡來觀察宇宙。哈勃的研究引導了對宇宙誕生的新研究。一位天文學家說：“現在，我們對宇宙的了解比以前要多得多，但要走的路還很長、很長。”
埃德溫·哈勃是天文學史上最偉大的人物之一，堪稱20世紀科學的突出代表。他確定了在人們所處的銀河係以外還存在河外星係，並證明宇宙處於不斷的膨脹之中，這使愛因斯坦修改了他的宇宙學方程，最終引出了關於宇宙起源的“大爆炸”理論。
埃德溫·哈勃作出了“遙遠星係都在遠離我們而去”這一裏程碑式的發現(這直接導致了後來“大爆炸”宇宙模型的產生)，但作為天文學史上最偉大人物之一的哈勃卻沒有因此獲得諾貝爾獎，這一度成為諾貝爾獎史上最大的遺憾。
哈勃一生中其他重大的貢獻有：提出星係分類的哈勃分類法，提出宇宙學三大理論基石之一的哈勃定律。哈勃在世的時候得到了除諾貝爾獎外的天文學家所能得到的一切榮譽。
今天，哈勃在公眾中也享有非常高的知名度，當然這很大程度上是因為哈勃太空望遠鏡的緣故。