在1610年，伽利略使用他的望远镜研究天空中明亮的带状物——银河，并且发现它是由数量庞大，但光度暗淡的恒星聚集而成的。1755年伊曼纽尔·康得借鉴更早期由托马斯·怀特工作完成的素描图，推测星系可能是由数量庞大的恒星转动体，聚集成盘状，经由重力的牵引聚集在一起，就如同太阳系，只是规模更为庞大。康得也猜想某些在夜空中看见的星云可能是独立的星系。
18世纪末，梅西尔完成了“梅西尔目录”，收录了103个明亮的星云。不久之后，威廉·赫协尔也完成了收录多达5000个星云的目录。1845年罗斯勋爵建造了一架新的望远镜，能够区分出椭圆星系和旋涡星系，他也在这些星云中找到了一些独立的点，为康得早先的说法提供了证据。但是，星云仍未能获得一致认同是遥远的星系，直到20世纪20年代早期哈勃使用新的大望远镜才获得确认。
哈勃分辨出旋涡星系外围中单独的恒星，并且辨认出其中有些是“造父变星”，因而可以估计出这些星云状天体的距离：它们的距离实在太远，以致不可能是银河系的一部分。1936年哈勃制了现在被叫做“哈柏序列”，并至今使用的星系分类法。
第一位尝试描述银河系的形状和太阳位置的天文学家是威廉·赫协尔。他在1785年小心地计算天空中在不同区域的恒星数目，得到了太阳系在中心的椭圆星系的图像，这与1920年卡普坦得到的结果非常类似，只是比较小些（直径大约1500秒差距）。哈洛·夏普利使用另一种不同的方法，建立在球状星团的分布上，得到了一幅完全不同的图像：一个直径约70000秒差距的扁平盘状，而且太阳在远离中心的位置上。但两者的分析都没有考虑到星际尘埃在银河盘面上造成的光线的吸收的量。罗伯特·朱利叶斯·庄普勒在1930年经由研究疏散星团确定了银河系的图样。
1944年亨德力克·赫尔斯特预言氢原子会辐射出21厘米波长的微波，结果在1951年便发现来自星际氢原子的辐射线。这条辐射线允许对星系做更深入的研究，因为它不会被星际尘埃吸收，并且来自他的多普勒位移能够映射出星系内气体的运动。这些观测导致转动的假定，分辨出在星系中心的棒状结构，配合无线电望远镜，在其他星系的氢原子也能被追踪到。
1970年维拉·鲁宾研究发现星系可见的总质量（恒星和气体）不能适当说明星系中气体的转动速度。如今星系自转问题已经用于解释未能观察到的大量暗物质。
从1990年开始，哈勃太空望远镜提高了观测的效益，尤其是它确认了神秘的暗物质不可能是在星系中的暗弱小天体。哈勃深空的运用，对天空的一个区域进行极长时间的曝光，提供了宇宙中可能有多达1750亿个星系的可能证据。
随着不可见光的光谱侦测技术上的大力改进（无线电望远镜、红外线摄影机、X射线望远镜），让人类可以见到连哈勃太空望远镜也看不见的其他星系。特别是对天空中隐匿带（天空中被银河系遮蔽的部分）的星系巡天，揭露了相当数量的新星系。
知识小百科
星系探测大事年表
星系年表是星系、星系团和宇宙大尺度结构的年代学。
964年：波斯天文学家优素福对大麦哲伦星系的第一笔记录。
1521年：斐迪南·麦哲伦在环球的探险中观察到麦哲伦云。
1610年：伽利略使用望远镜观察天空上的亮带（银河），发现是许多暗淡的恒星。
1750年：托马·怀特论述星系和银河的形状。
1755年：接续怀特的工作，伊曼努·康德臆测星系是被引力聚集在一起旋转的恒星盘，星云是被分离的星系。
1845年：威廉·帕森思发现有星云有螺旋的形状（即为M51）。
1918年：哈罗·沙普利显示球状星团分布的扁球体或晕，不是以地球为中心，正确地说，它是以银河系的中心为中心的。
1920年：哈罗·沙普利和希伯·柯蒂斯辩论螺旋星云是否在银河系之内。
1923年：爱德·哈勃在仙女座星系发现“造父变星”，解决了沙普利-柯蒂斯之争。
1930年：Robert Trumpler利用疏散星团的吸收谱线对银河平面上的星际尘埃进行定量观察，这种吸收对早期的银河系模型造成极大的困扰。
1932年：卡尔·央斯基发现来自银河中心的电波噪音。
1933年：弗里茨·兹威基将维里定理运用在后发座星系团，获得看不见的物质存在的证据。
1936年：爱德文·哈勃提出螺旋、棒旋、椭圆和不规则星系的分类法。
1939年：Grote Reber发现天鹅座A电波源。
1943年：Carl Keenan Seyfert辨认出六个螺旋星系有不寻常的宽广发射谱线，命名为赛佛特星系。
1949年：J.G。Bolton、G.J.Stanley和O.B.Slee 确认M87和NGC 5128是银河系外的电波源。
1953年：Gerard de Vaucouleurs发现直径大约是200万光年的室女座星系团是被约束住的巨大超星系团。
1954年：沃尔特·巴德和鲁道夫·闵可夫斯基辨认出银河系外电波源天鹅座A的光学对应体。
1959年：剑桥大学的干涉仪发现数百个电波源，并编辑成3C目录。其中有许多在后来被发现是类星体和电波星系。
1960年：Thomas Matthews测量出电波源“3C48”的位置经确度达到5.
1960年：Allan Sandage已可见光研究3C 48，并且观察到异常的蓝类星体。
1962年：Cyril Hazard、M.B.Mackey和A.J.Shimmins利用月掩星精确的测量3C 273的位置，并推论出他有双重的来源。
1962年：Olin Eggen、Donald Lynden-Bell和Allan Sandage提出星系形成的理论，以单一（相对的）快速的整体崩溃，先形成了晕，然后才是星系盘面。
1963年：Maarten Schmidt辨识出3C 273内红移的巴耳麦线。
1973年：Jeremiah Ostriker和James Peebles发现在螺旋星系中可见物质的总质量不足以产生足够的牛顿万有引力，使盘中的物质被吸引住而不会四散飞离或改变盘的形状。
1974年：B.L.Fanaroff and J.M.瑞林区别出边缘昏暗（FR I）和边缘明亮（FR II）的电波源。
1976年：Sandra Faber和罗伯特·杰克逊发现椭圆星系的亮度和相对于中心速度离散的费伯-杰克逊关系。
1977年：布瑞·泰勒和理查德·费雪发表独立的螺旋星系的亮度与盘面部分的速度与自转曲线的关系式。
1978年：史蒂夫·葛利格里和莱尔德·汤普森描述后发座超星系团。
1978年：维拉·路宾、肯特·福特、N。萨内德和艾伯特·玻斯曼测量了一些螺旋星系的自转曲线，并且发现可以看见的恒星数量与牛顿万有引力预测的数量之间有巨大的偏差。
1978年：伦纳德·瑟尔和罗伯特·齐恩推论星系形成是由许多较小的合并组合成大的。
1981年：罗伯特·科什那、奥格斯特·欧姆勒、普尔·斯盖特和斯蒂芬·柴克曼发现牧夫座有一个直径达到一亿光年的巨大空洞。
1985年：罗伯特·昂特拉奇和J·米勒发现塞佛特II星系“NGC 1068”有高度偏振只出现在反射光中的宽谱线。
1986年：阿莫斯·雅舍尔、大卫·沃克和迈克尔·罗宾逊发现“IRAS”星系密度的偶极方向与宇宙微波背景温度偶极的方向一致。
1987年：戴维德·波士顿、罗格·戴维斯、阿兰·代斯勒等声称在银河系周围200万光年内的星系一起都朝向长蛇座和半人马座方向，被称为巨引源的星系团移动。
1989年：玛格丽特·杰勒和约翰·修兹劳发现长城，是一个由星系组成的薄片，长五亿光年、宽三亿光年，但只有一千五百万光年厚。
1990年：迈克尔·罗宾逊和汤姆·布劳斯特发现“IRAS”星系“IRAS F10214 4724”是宇宙中已知的天体中最亮的。
1992年：第一次在宇宙微波背景中侦测到大尺度的结构，表明第一群的星系团种子出现在宇宙的早期。
1995年：第一次在宇宙微波背景中侦测到小尺度的结构。
1995年：哈柏深空在144弧秒的视场中进行星系的调查。
1998年：2度视场星系红移巡天测绘出宇宙在邻近银河系附近的大尺度结构。
1998年：使用“哈勃南天深空”，单张影像叠加合成。
1998年：发现宇宙的加速。
2000年：一些来自宇宙微波背景实验的数据，提供宇宙是平的有力证据（空间没有弯曲，但时空是有弯曲的），这对大尺度结构的形成有重要的意义。
2001年：持续进行中的史隆数位巡天释出第一批资料。
2004年：欧洲南方天文台发现“Abell 1835IR1916”星系——从地球能看见的最遥远星系。