通过观测可知，宇宙中几乎所有的星系都在远离我们的银河系。并且离得越远的星系，退行得越快。当星系发出的光在宇宙中传播时，光的波长会变得更长、更红，因为空间本身的结构在不断拉伸、膨胀。当距离达到足够远之时，星系被这个膨胀的宇宙推离得如此之快，以至于那些星系发出的光不再会到达地球。
虽然宇宙空间在各个地方、各个方向不断膨胀，但我们却没有，原子的大小保持不变。卫星、行星和恒星也是如此，它们之间的距离不会因为宇宙膨胀而变远。即使是在银河系所处的本星系群中，星系也没有相互远离，而是在相互吸引。那么，为什么在膨胀的宇宙中，有些东西又不会膨胀呢？
关于上述问题，先来了解一下引力理论。牛顿把空间想象成绝对不变的，其中的天体通过引力互相吸引。但爱因斯坦认为，空间不是绝对不变的，而是会在质量和能量的作用下发生弯曲，空间中的物质和能量决定了时空结构是如何弯曲的。
但如果宇宙空间中存在着达到一定密度的物质和能量，它们将不可避免地使整个宇宙坍缩成奇点。但爱因斯坦认为宇宙是静态的，所以他在引力场方程中添加了一个宇宙常数。宇宙常数代表一种额外形式的能量渗透到真空中，它们可以排斥引力，阻止引力坍缩，使宇宙保持稳恒态。
然而，并不是所有的物理学家都像爱因斯坦那样认为宇宙是静态的。物理学家弗里德曼证明，如果引力场方程不加上额外的宇宙常数，将会得到一个具有活力的宇宙，方程将会有两类解：一类是坍缩的宇宙，另一类是膨胀的宇宙。
数学只能给出可能的解，但我们还需要从真实的宇宙中去寻找正确的解。在1924年，天文学家哈勃发现了通过恒星测量河外星系的方法。
另一方面，与哈勃同时代的天文学家斯里弗发现，宇宙任何地方的原子都会以特定的频率吸收和发射光，这取决于它们的电子是如何被激发或者制激。当他观测遥远星系的光谱时发现，原子特征光谱移动到了比实际波长更长的波段，这就是现在所说的红移现象。
当科学家把这两个观察结果结合起来时，发现了一个令人难以置信的结果——几乎所有的星系都在远离银河系，并且距离越远的星系退行得越快。这表明宇宙空间本身正在膨胀，而且这种膨胀发生在空间中的所有地方。对于距离越远的星系，它们之间的空间膨胀得越多，所以星系互相远离的速度也就会越快。如果宇宙中的物质非常均匀，那么随着时间的推移，宇宙的物质密度就会降低，所有的物质都会远离其他物质。
然而，宇宙并不是完美的均匀和统一的。宇宙中存在着高密度的区域，例如，行星、恒星、星系和星系团。宇宙中还存在着低密度的区域，例如，巨大的宇宙空洞，那里几乎不存在天体。
之所以一些物体没有随着宇宙的膨胀而膨胀，是因为除了宇宙膨胀之外，还有其他物理现象在起作用。在小尺度上，像生物的尺度和更低的尺度上，电磁力和核力占主导地位。在更大的尺度上，比如行星、太阳系和星系，引力占主导地位。
宇宙的膨胀效应只有在宇宙大尺度下才会占主导地位，而在小尺度下引力及其他几种基本力会占上风，所以生物、行星、恒星以及星系等结构才能维持稳定，而不会随着宇宙膨胀变大。
在宇宙大尺度下，膨胀是主导作用。正因为如此，最遥远的星系正以超光速在远离银河系，以至于它们发出的光永远也不会传播到地球上。需要强调的是，星系退行出现超光速的现象是由空间本身的拉伸膨胀所导致的，而非星系本身在宇宙中的运动速度真的超过光速。
随着宇宙不断膨胀，而且是在加速膨胀（因为宇宙中可能存在神秘的暗能量），最终只有本星系群及更小的宇宙结构才能维持稳定。而像本星系群所在的本超星系团，最终会在空间膨胀的作用下发生解体。在未来的宇宙中，只能观测到银河系附近的极少数星系，那些遥远星系发出的光再也无法抵达地球被我们观测到，宇宙将会是空荡而黑暗的样子，变得与现在完全不同。
