19世紀末，哈佛大學天文台著手進行恒星的分類。1890～1936年，陸續出版載有272150顆恒星光譜一元分類的《亨利·德雷伯星表》及其補編，為建立恒星表麵溫度序列奠定了基礎。1905年，赫茨普龍根據光譜特征，確認恒星有巨星和矮星之分。20世紀初期，他在1905～1907年以及羅素在1913年分別繪製銀河星團的星等-色指數圖和已知距離的恒星的絕對星等-光譜型圖，並從中發現恒星分布的規律：絕大多數恒星處在所謂的主星序上，巨星和白矮星則分別彌漫在主星序之上的巨星分支中和主星序的左下角。羅素還提出恒星在圖上的演化走向，後人把恒星的光譜光度圖稱為赫羅圖。1937年柯伊伯首先發現，一些銀河星團在赫羅圖上的位置差異可以用年齡不同加以解釋，這說明赫羅圖是探討恒星演變的有效工具。
哈佛大學1938年，貝特表示，主序星的能源是氫變氦的熱核反應，成功地闡明了恒星的產能機製，為理解太陽型恒星百億年的演化過程奠定了基礎。博克等人的光學觀測以及 20世紀60年代以來貝克林、斯特羅姆等人的紅外觀測都表明恒星起源於星際暗雲，因吸積、收縮而成原恒星。人類對恒星的形成和演化的認識和理解，是20世紀天文學的一項重大成就。
20世紀初，卡普坦通過恒星計數和光度函數的統計研究，建立了以太陽係居中的、直徑長 40000 光年的銀河係模型。1918 年，沙普利對太陽係為銀河係中心的傳統觀念提出挑戰。他分析了當時已知的球狀星團的視分布，並根據造父變星的周光關係估算它們的距離，從而得出銀河係是直徑300000光年、厚30000光年的透鏡型的恒星和星雲係統。銀河係中心在人馬座方向，太陽距銀河係中心50000光年。這是哥白尼日心說以來，宣布太陽係並非居宇宙中心地位的壯舉。
銀河係近50年中，沙普利模型經受了新的觀測事實的考驗，已為世人所公認，但是，由於不正確地假定星際間無吸光物質，沙普利模型對距離尺度估計得偏高。1930年，特朗普勒通過研究銀河星團證實了星際吸光的存在，銀河係模型的大小才重新得到訂正。今日銀河的公認值是直徑約81，500光年、厚約3300～6600光年，太陽距銀心約32600光年。
1926年，林德布拉德指出，恒星運動的不對稱效應是銀河係自轉的反映。隨後，銀河係的較差自轉為奧爾特所證實，並求出太陽以每秒250公裏的速度，沿圓軌道繞銀心運動，估計2.5億年公轉一周。
根據對河外星係的觀測，人們推測銀河係也有漩渦結構。20 世紀 50 年代初，摩根的高光度星空間分布研究和奧爾特等人的中性氫21厘米譜線射電分析，都確切地描繪出銀河係漩渦結構和旋臂。20 世紀 60 年代，林家翹比較成功地用密度波理論解釋了漩渦結構及其維持機製。
1912年，勒維特觀測小麥哲倫雲的造父變星，發現周光關係，從而推測小麥哲倫雲可能離地球十分遙遠，也許在銀河係之外。1924年底，哈勃宣布他利用造父變星的周光關係，計算出仙女星係、人馬不規則星係的距離，指出它們是銀河係以外的恒星係統。從此，星係天文學誕生。古老的宇宙島觀念被證明是客觀現實；在銀河係之外“天外有天”的大宇宙概念的建立是20世紀天文學的又一重大成就。
1929年，哈勃發現河外星係的譜線紅移量和星係距離成正比關係。假若承認紅移是天體退行運動的多普勒效應，那麼紅移距離的關係意味著星係普遍後退遠行，而它們所處的空間整體在膨脹。
小麥哲倫雲1956年，哈馬遜把紅移與星係距離的線性關係擴展到紅移020，即退行速度達到光速的1/5。1977年，桑德奇更延伸到0.75，即退行速度為光速之半，按照這個比例求出的距離已超過50億光年，這就是我們生活於一個不斷運動並演化著的宇宙中的觀測依據。20世紀70年代以來，探索遠達100億光年以上的宇宙深空已成為現代天文學的主要課題。
早在20世紀30年代初，央斯基等人就發現了來自地球以外的宇宙無線電波，但通過光學波段以外的天窗，用無線電方法接收並研究天體的射電波，則是20世紀40年代後期的事。那時，海伊、博爾頓、賴爾等人相繼探測射電天空，從而建立了射電天文學。