就像地球、太阳一样，星系确实都在自转。这种自转运动会使像银河系这样的螺旋星系呈现为扁平的圆形。就其各部分的切向速度而言，星系的自转速度非常快。例如，我们的太阳系在参与银河系自转的过程中，以每小时79.2万公里（220公里/秒）的速度在星际空间中运行。那么，如果星系的各个部分移动得如此之快，为什么它们看起来会像是静止的呢？
简单来说，这是因为星系大得难以想象。从远处看，一个高速运动的物体看起来显得很慢，例如，天上的飞机看起来是在慢慢运动，尽管飞机的时速可达900公里。这不是什么心理效，在一个巨大的空间中，当物体的速度用它所要行进的总距离的百分比来表示时，它实际上运动得非常慢。
我们的太阳系距离银河系中心大约2.6万光年，所以太阳系环绕银河系运动一圈所需要行进的距离是16.3万光年，即155亿亿（1.55×10^18）公里。虽然太阳系正以每小时79.2万公里的速度再空间中快速运动，但我们环绕银心旋转一周仍需要大约2.2亿年的时间。
就完成一次环绕银河系的运动而言，太阳系以每小时1000万亿分之五圈的速度绕银心运行。如果河外星系中存在外星文明，并且他们可以观测到整个银河系，由于我们的星系旋转得非常缓慢，以至于看起来根本就没有旋转。同样地，我们观测其他星系，也无法直接看出它们的旋转。
由于太阳以及其他恒星环绕银心旋转的角速度很慢，这使得我们也看不出夜空中的恒星运动。无论我们什么时候观测星空，恒星的相对位置都是保持恒定的。
不过，也有例外的情况。位于6光年外的巴纳德星是离太阳第四近的恒星，它的自行速度非常快。如果把巴纳德星每隔五年在星空中的位置做个比较，就会发现它相对于背景星空出现了明显的移动：
尽管如此，人的肉眼是不可能看出巴纳德星的自行运动，6光年的距离还是太远了。
虽然肉眼看不出星系的自转，但天文学家通过对星系自转的研究，有了意想不到的发现。理论上，越远离星系中心的恒星绕着星系中心旋转的速度应该越慢，这就像行星绕着恒星旋转那样遵循开普勒定律。然而，观测结果非常令天文学家意外，因为恒星的公转速度并没有随着距离的增加而逐渐减小，而是基本维持恒定，如下图所示：
这是已有的理论所无法解释的情况，因为如果星系边缘的恒星公转速度也很快，这些恒星就不可能会被星系束缚住，星系的结构早就会散掉。对此的解释有两种，一种解释是现有的引力理论有问题，需要进行修正，修正牛顿引力理论就是一个例子。
还有一种解释是星系中存在着一种不为人知的物质，它们并非由质子和中子构成的重子物质，这种特殊的物质可以起到引力的作用，但基本上不会发生电磁作用，所以它们无法直接用天文望远镜来探测，天文学家把这种物质称为暗物质。暗物质假说更受青睐，因为还有其他证据可以支持它们的存在。
据估计，如果宇宙中存在暗物质，它们的含量是普通物质的5倍。目前的理论认为，暗物质可能是由大质量弱相互作用粒子构成，这是天文学家一直在寻找的神秘粒子。我国在2015年发射了“悟空号”暗物质粒子探测器，它的其中一个主要目标是寻找暗物质。如果能够找到暗物质，这必将是天文学的又一里程碑。
