揭开旋涡星云本质之谜
哈勃一退伍回到美国，即遵前诺赴威尔逊山天文台任职，当时他已达而立之年，始得安心从事日后使之声望卓著的天文研究工作。此后，除第二次世界大战期间曾在美国军队中参与领导弹道学研究，并在马里兰州阿伯丁试验场超声速风洞实验室担任领导工作外，哈勃始终在威尔逊山天文台工作。
从1922年起，哈勃将研究的注意力集中到旋涡星云本质的问题上。这是一个争论已久的问题。早在18世纪中叶，康德就把呈云雾状的星云看成是我们天体系统（银河系）之外的别的巨大天体系统。一个世纪后，德国科学家洪堡又把宇宙中一个个这样的天体系统比喻为大海中的无数小岛，称“宇宙岛”。
18世纪末至19世纪末，人们在宇宙岛是否存在这一问题上的研究走了许多弯路，遇到许多挫折。康德、洪堡等人推测呈云雾状的星云是宇宙岛，但在小望远镜中，看去像云雾状的星云的天体有许多复杂的情况：它们有的是银河系内的星团，仅仅是因为分辨不清才被当成星云；有的是银河系内的气体尘埃云，这种气体尘埃云与宇宙岛实际上是毫不相干的两回事；当然也的确存在作为宇宙岛的星云（后来称为河外星云）。由于这三方面的混淆和测量手段上的局限，宇宙岛的猜测难于得到证实。
20世纪初，人们用照相方法发现了大量旋涡星云，它们形如旋涡状，大多数很暗弱，只有极少数如仙女座大星云（通过照相发现它是一个半侧向对着我们的旋涡星云）等比较明亮。有人认为，这种旋涡星云很可能是宇宙岛。20世纪10年代末，美国天文学家柯蒂斯用“新星测距法”求得仙女座大星云的距离为1000万光年（1光年是指太空中光在1年中所走过的距离，1光年约10万亿千米）。所谓新星测距法是假定仙女座大星云中的新星与银河系中的新星光度相当，即认为两者在单位时间内发出的总光量很相近，只是由于仙女座大星云很远才使其中的新星显得很暗弱，然后推算出该星云的距离。这种方法在原理上并不错，但误差很大，连柯蒂斯本人在公布此结果后也很快加以更正，将仙女座大星云的距离从1000万光年减至50万光年。柯蒂斯认为银河系的直径只有数万光年，所以仙女座大星云远在银河系之外，是银河系之外的别的星系。美国天文学家沙普利认为柯蒂斯的测量不可信，他认为仙女座大星云不在如此遥远的距离上，而他却把银河系的直径定得过大，达30万光年，他认为仙女座大星云只是银河系内的真正的星云状天体。他还引证了荷兰天文学家范玛南提供的观测结果，旋涡星云M101，M33和M81每年以百分之几角秒的速率自转，这样大的角速度意味着这些旋涡星云不可能太遥远，其距离仅数千光年而已，由此沙普利推论旋涡星云都是银河系内的天体。后来人们发现范玛南的测量是错误的，是把某些系统误差当成旋涡星云的自转了，但当时沙普利却把它当做自己见解的重要依据。
1920年4月26日，由当时威尔逊山天文台台长海尔发起，在美国国家科学院召开了“宇宙的尺度”辩论会。沙普利和柯蒂斯代表对立的两方，就银河系的大小和旋涡星云的真相展开面对面的论战。这就是天文学史上著名的沙普利—柯蒂斯大辩论。这场辩论当时胜负未分，旋涡星云究竟是否是银河系之外的别的星系并未有统一的结论。
1923年，哈勃用威尔逊山天文台的口径为2.54米的胡克望远镜拍摄仙女座大星云的照片。由于这架当时世界上最大的望远镜的惊人分辨本领，照片上该星云的外围已被分解为恒星，在这些恒星中他证认出第一颗造父变星。翌年，他又在该星云中证认出更多的造父变星，并在三角座星云M33中也发现了一些造父变星。接着，他用“造父变星测距法”测出了这两个旋涡星云的距离。
什么是造父变星和造父变星测距法呢？造父变星是以仙王座δ为典型星的一类变星。中国古代用传说中的驾车能手造父来命名仙王座δ和它周围的几颗星，其中仙王座δ称造父一，因此以它为典型星的变星便被称为造父变星。这类变星是因星体本身的周期性膨胀和收缩而产生光度变化的，它的光度变化有一个重要特点，就是其光变周期和其光度之间存在确定的对应关系，这种对应关系是沙普利在1915年首先建立的。于是，通过测出某造父变星的光变周期，它的光度也就可以定出。某造父变星的光度定出后，再用观测定出其视星等，就可以定出它的距离。这就犹如在晴空万里的夜晚，从海船上遥望海岸边的一盏航标灯，如果该灯多少烛光已经确定，海船上所见到的它的视亮度就只依赖于海船离它的距离了，于是有经验的水手就可以根据他所见到的此航标灯的视亮度估计出海船离海岸有多远。使用造父变星的这种测量距离的方法称为造父变星测距法。
20世纪10年代后期，沙普利在银河系内的许多球状星团中发现了造父变星。由于球状星团离我们很远，它本身的尺度与它离我们的距离相比是可以忽略不计的，因此如果测出了球状星团中任何一颗造父变星的距离也就测出了该球状星团离我们的距离。根据这一点，沙普利应用“造父变星测距法”测出了许多已发现造父变星的球状星团的距离。如果他及时去寻觅旋涡星云中的造父变星，那么首先定出旋涡星云距离的也应该是他。但他却没有这样做，而哈勃却进行了这至关重要的一步，1924年，哈勃用“造父变星测距法”测量了仙女座大星云和三角座星云M33的距离为93万光年。当时，已知银河系的直径在10万光年左右，这意味着这两个旋涡星云远在银河系之外，是与银河系相当的独立的星系。哈勃将这一研究成果写成了论文。
1925年元旦，美国天文学会和美国科学促进学会在华盛顿联合召开了学术会议，哈勃并未到会，但他的上述论文被带到会上得以宣读。这篇论文一经宣读，在座的许多天文学家都已明白，关于旋涡星云本质的大辩论已告结束，宇宙岛的推测已获证实。当时，几年前进行此项大辩论的代表人物沙普利和柯蒂斯都在场。哈勃的论文分享了美国科学促进学会为这次学术会议设立的最佳论文奖。同年，该论文以“旋涡星云中的造父变星”为题发表在《美国天文学会会刊》上。
1925年，哈勃又用“造父变星测距法”测定了人马座星云NGC6822的距离，证实了该旋涡星云也是一个河外星系。同年，这一成果以“NGC6822，一个遥远的恒星系统”为题发表在美国《天体物理学报》上。哈勃的这些工作，翻开了人类研究大宇宙的新的一页，从此人们的视野超出了银河系，进入了星系世界。
绘制“音叉图”
1922年，哈勃发表了论文“弥漫银河星云的一般研究”，文中将银河星云分为行星状星云和弥漫星云两大类。他还指出有一类非银河星云存在，虽然他当时无法确认它们位于银河系之外，但却发现它们在空间分布上远离银河所在平面（银道面），且离这个平面越远，所见到的非银河星云越多。在该文中，他还对非银河星云作了初步的分类。
1925年，国际天文学联合会在英国剑桥召开学术会议，哈勃在会上作了一篇有关河外星云形态分类的论文报告。当时他已认识到三年前他在论文“弥漫银河星云的一般研究”中所提到的非银河星云实际上就是位于银河系之外的河外星云（亦即河外星系），所以他在报告中已明确地将以前称为的非银河星云改名为河外星云。这篇报告经修改、整理后发表在1926年的《天体物理学报》上，论文题目是“河外星云”。
在“河外星云”一文中，哈勃指出大多数河外星云都有一个在星云中占主导地位的球状核心，整个星云对它表现出某种旋转对称性，这类河外星云称为规则星云。它又可以分为椭圆星云和旋涡星云两类：椭圆星云以符号E表示，依据其椭率不同，又分为E0，E1，E7共8个次型；旋涡星云则又被分为正常旋涡星云和棒旋星云两族，前者以符号S表示，后者以符号SB表示，后者与前者的最大不同在于星云的中间有一棒状物，这两族旋涡星云每族按旋臂由紧到松的程度不同均分为a，b，c三个次型。
在“河外星云”一文中，哈勃认为除规则星云外，还有一类星云不具备中心核和某种旋转对称性，其形状往往不规则，这类星云称不规则星云，以符号Irr表示之，不规则星云只占河外星云总数的3%以下。
后来，哈勃又对这一分类体系作了发展，并在1936年他出版的《星云王国》一书中作了更详细的描述。在该书中，他首次给出了一个河外星云分类图，由于此图很像一个音叉，所以后人将此图取名为“音叉图”。此“音叉”的交接处列出了一种S0型星云，它是无臂的旋涡星云，哈勃当时认为它是一种多少带有假设性的类型，但后人果然发现了许多S0型星云，人们将它命名为透镜状星云。此外还存在不规则星云，在“音叉图”中未予列出。
由于河外星云的本质便是河外星系，所以哈勃当时所称的椭圆星云、正常旋涡星云、棒旋星云和不规则星云后来分别改称为椭圆星系、正常旋涡星系、棒旋星系和不规则星系。上述分类则被称为星系形态的哈勃分类，亦称星系形态的哈勃序列。哈勃序列表明众多的星系乃是同一家族中互有联系的成员。它在看来纷乱庞杂的星系王国中引入了秩序，仿佛为人们进入这个神秘的世界提供了一幅总体导游图。
20世纪30年代以后，陆续发现了多种特殊星系，这些星系的星系核中往往有强烈的活动。这类星系无法纳入星系形态的哈勃分类之中。所以，人们进一步认识到，哈勃对星系形态的分类只是对正常星系的一种分类。但由于正常星系在星系总数中占极大多数，因此除了对特殊星系的专门性研究工作之外，星系形态的哈勃分类至今还常被采用。
哈勃定律
哈勃对星系天文学的又一重大贡献是发现了河外星系退行速度与距离之间存在着正比关系，即发现了著名的哈勃定律。
20世纪10年代，美国天文学家斯莱弗用装在大望远镜上的高色散摄谱仪拍摄了数十个旋涡星云的光谱，发现它们大多存在谱线红移，根据多普勒效应，这种红移可解释为这些星云在不断退行，即远离我们而去。
哈勃在1925年确认旋涡星云是河外星云亦即河外星系之后，他对这种星云普遍存在谱线红移问题也发生了兴趣，他不仅也参与测量它们的谱线红移和退行速度，而且采用“造父变星测距法”以及其他方法，努力测量它们的距离。1929年，他在《美国国家科学院会议文集》上发表了“河外星云距离与视向速度的关系”的重要论文，文中分析了46个已求得其退行速度的河外星云，其中已定出其距离的为24个，对于另外22个河外星云，他采用将其中几个组合成一群的方法，求出其平均退行速度，并根据其平均视星等求出其平均距离。通过分析这些资料，他指出河外星云的退行速度V和它的距离D之间存在着正比关系，即V=HD此式被称为哈勃定律，式中的比例常数H被称为哈勃常数。在该论文中，他还给出了河外星云退行速度与其距离之间存在线性关系的一幅图。