Vârsta estimată a Universului, bazată pe observațiile moderne și pe modele cosmologice de ultimă generație privind evoluția sa timpurie, este de aproximativ 13,8 miliarde de ani. Cosmologia este un domeniu de cercetare care studiază evoluția și structura Universului.
La scală mare (aproximativ peste 300 milioane de ani lumină), materia din Univers pare să fie distribuită uniform. Datorită acestei densități și structuri aproape uniforme, Universul arată aproape la fel în orice loc (omogen) și în fiecare direcție (izotrop).
Datorită vitezei limitate a luminii, nu vedem niciodată obiectele așa cum sunt acum, ci întotdeauna așa cum au fost în trecut. Putem vedea Soarele așa cum a fost acum aproximativ opt minute, deoarece durează aproximativ opt minute ca lumina de la el să ajungă la noi. Vedem galaxia Andromeda așa cu era acum aproximativ 2.5 milioane de ani în urmă, pentru că de atât de mult timp are nevoie lumina galaxiei pentru a ajunge pe Pământ. În acest fel, astronomii observă întotdeauna trecutul, chiar și cu până la 13,8 miliarde de ani în urmă. Observarea obiectelor astronomice aflate la diferite distanțe ne oferă astfel o secțiune transversală a istoriei cosmice. Deoarece, în medie, Universul are aceleași proprietăți peste tot, această secțiune transversală oferă indicii valoroase cu privire la propria noastră istorie.
Deoarece lumina călătorește în spațiu cu o viteză finită, există regiuni îndepărtate ale Universului pe care încă nu le putem observa. Motivul pentru aceasta este pur și simplu că lumina din acele regiuni nu a avut suficient timp pentru a ajunge la detectoarele noastre de pe Pământ. Putem vedea doar obiecte care se află într-o anumită regiune numită „Universul observabil”, cuprinzând toate obiectele a căror lumină a avut timpul necesar pentru a ajunge la noi. De un interes deosebit sunt obiectele foarte îndepărtate de lângă granița acelei regiuni. Acestea ne apar în forma în care erau atunci când Universul tocmai începuse.
Stelele, aerul pe care îl respirăm, corpurile noastre și tot ceea ce vedem în jurul nostru sunt alcătuite din atomi, care sunt compuși la rândul lor din protoni, neutroni și electroni. Această așa-numită materie barionică este cea cu care interacționăm în viața noastră de zi cu zi. Dovezile observaționale arată că ea reprezintă doar aproximativ 5% din compoziția totală a Universului. De fapt, Universul este compus în principal dintr-o formă necunoscută de energie denumită Energie Întunecată (aproximativ 68%) și o formă neobișnuită de materie numită Materie Întunecată (aproximativ 27%). Natura așa-numitei Energii Întunecate și Materiei Întunecate este un domeniu activ de cercetare, în special prin observarea influenței lor asupra materiei barionice.
Dovezile observaționale arată că Universul se extinde într-un ritm accelerat, care este atribuit energiei întunecate. Pe măsură ce Universul se extinde în mod sistematic la scară mare, grupurile de galaxii se îndepărtează unele de altele. În modelele actuale, toate distanțele dintre grupurile de galaxii cresc proporțional cu același coeficient de scară universal. Datele observaționale arată că cu cât o galaxie este mai departe de noi, cu atât mai repede se îndepărtează de noi (Legea Hubble-Lemaître). Ipotetic, observatorii extratereștrii din alte galaxii ar găsi același lucru. Sistemele legate, cum ar fi roiurile de galaxii, grupurile de galaxii legate prin propria gravitație sau galaxiile în sine, nu sunt afectate de expansiunea cosmică. În cadrul roiurilor și grupurilor, galaxiile individuale pot orbita una în jurul alteia, sau se pot afla pe un traseu de coliziune unele cu altele. Ultima situație este valabilă pentru galaxia Calea Lactee și galaxia Andromeda.
Expansiunea cosmică influențează proprietățile luminii provenite din Univers. Lumina care ajunge la noi de la galaxiile îndepărtate se deplasează cu atât mai mult spre roșu, cu cât distanța crește. Această deplasare spre roșu poate fi definită ca fiind o creștere a lungimii de undă a luminii (extinderea spre lungimi de undă mai mari) cu factorul de scară universal. Acesta este motivul pentru care galaxiile îndepărtate pot fi observate numai în domeniul infraroșu sau radio și de ce radiația cosmică de fond ajunge la noi fiind încadrată, cel mai adesea, în domeniul microundelor.
Au existat multe teste pentru a vedea dacă legile fizicii, cum ar fi legile care guvernează gravitația, termodinamica și electromagnetismul, sunt aceleași pe Pământ cât și în universul îndepărtat. Până în prezent, toate aceste teste indică faptul că legile fundamentale ale fizicii se aplică în întregul Univers.
Studiile vaste despre deplasarea spre roșu a Universului au arătat că, la scară mare, de ordinul a câteva sute de milioane de ani lumină, Universul seamănă cu o rețea tridimensională, asemănătoare unui burete, de filamente și goluri, pe care astronomii o numesc „rețea cosmică”. Filamentele și pereții conțin milioane de galaxii. Aceste structuri la scară mare se întind pe sute de milioane de ani lumină și au, de obicei, grosimea de zeci de milioane de ani lumină. Filamentele și pereții formează granițe în jurul golurilor, care au un diametru de ordinul a sute de milioane de ani lumină și conțin doar foarte puține galaxii.
Cea mai veche radiație electromagnetică, care provine din cele mai îndepărtate zone din Univers pe care le putem observa, este radiația cosmică de fond (fond de microunde cosmice). Este relicva rămasă din Universul timpuriu fierbinte și dens, imprimată cu informații dintr-o perioadă în care Universul avea aproximativ 380.000 de ani. Radiația cosmică de fond ne permite să măsurăm caracteristicile cheie ale Universului în ansamblu: cantitatea de materie întunecată, materie barionică și energie întunecată pe care o conține, geometria Universului și rata sa actuală de expansiune. Radiația cosmică de fond arată că Universul este aproape izotrop și, prin urmare, oferă și dovezi indirecte pentru omogenitate.
Conform celor mai bune dovezi disponibile până acum, toată materia și energia pe care le vedem în jurul nostru au fost conținute într-un volum mai mic decât un atom, în urmă cu peste 13 miliarde de ani. Universul s-a extins din această fază de densitate și temperatură foarte mare (faza Big Bang) până la starea sa actuală. Modelele care descriu Universul în expansiune sunt denumite LambdaCDM (unde Lambda reprezintă componenta Energie Întunecată a Universului și CDM pentru Materia Întunecată Rece). Faza Big Bang, în ciuda numelui său, nu a fost o explozie în care materia a fost aruncată în spațiul gol existent anterior. Tot spațiul disponibil a fost umplut cu materie de la bun început și, pe măsură ce spațiul a crescut, densitatea medie a materiei a tot scăzut. De când s-au format galaxiile, distanța medie dintre ele a crescut constant. Modelul Big Bang face numeroase predicții testabile despre Universul nostru actual, dintre care majoritatea au fost confirmate folosind date observaționale.
