天文学家将数学模型与观测相结合，以发展宇宙形成的可行理论。大爆炸理论的数学基础包括爱因斯坦的广义相对论以及基本粒子的标准理论。今天，美国航天局的航天器哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜等会继续测量宇宙的膨胀情况。
▲空间度量扩展的时间线，其中空间（包括假设的宇宙不可观测部分）每次都由圆形截面表示。在左边，指数式的膨胀发生在宇宙暴胀时期；在中间的是，宇宙加速膨胀（大小比例不按尺寸）的图形。图：NASA/WMAP Science Team
1 大爆炸理论
大爆炸理论是从已知的宇宙最早时期到随后的大规模演化到我们现在的可观测宇宙的一种主要宇宙学模型。
该模型描述了宇宙是从一个温度和密度高得不可思议的一种初始状态演化而来，我们观测到的丰富的光元素，宇宙微波背景辐射（CMB, Cosmic microwave background radiation）以及大尺度结构和哈勃定律都可以解释这一点（星系距离地球越远，其远离地球的速度也就越快）。
如果使用目前已知的两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理，我们可以将时间往后回溯。那么可以假设最开始的状态，在一个密度高得不可思议的状态的有限时间之前，存在一个奇点，它通常与大爆炸有关。
目前物理学家们还不确定这是否意味着宇宙是从奇点开始的，也许是当前的知识还不足以描述当时的宇宙状态。天文学家利用哈勃望远镜对宇宙膨胀率的详细测量，我们得出了宇宙大爆炸发生在大约138亿年前，这一数字被规定为宇宙的年龄。（后来，，利用地面及哈勃望远镜进行连续观测，发现宇宙膨胀率不是一个定量，而是存在一个特殊的“暗能量”产生加速度膨胀，以此测定宇宙年龄为130亿年至140亿年。）
在宇宙最初的膨胀之后，宇宙的温度开始慢慢冷却，直到其温度低到可以形成亚原子粒子，然后形成一些简单的原子。这些原始元素（主要是氢元素，也含有其它的一些氦）组成的巨大云团后来通过引力合并坍缩，并最终形成了早期的恒星和星系，这些恒星和星系的演化结果就是我们今天看到的宇宙。
除了这些以外，天文学家还观察到了星系周围暗物质导致的引力效应。宇宙中的大部分物质似乎都是以暗物质的形式存在的，大爆炸理论和各种观察似乎表明暗物质并不是由传统的重子物质（质子、中子和电子）构成的，它究竟是由什么构成的目前还尚不清楚。
▲艺术家绘制的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）采集数据的景象，图：Tempshill
