通過觀測可知，宇宙中幾乎所有的星系都在遠離我們的銀河系。并且離得越遠的星系，退行得越快。當星系發出的光在宇宙中傳播時，光的波長會變得更長、更紅，因為空間本身的結構在不斷拉伸、膨脹。當距離達到足夠遠之時，星系被這個膨脹的宇宙推離得如此之快，以至于那些星系發出的光不再會到達地球。
雖然宇宙空間在各個地方、各個方向不斷膨脹，但我們卻沒有，原子的大小保持不變。衛星、行星和恒星也是如此，它們之間的距離不會因為宇宙膨脹而變遠。即使是在銀河系所處的本星系群中，星系也沒有相互遠離，而是在相互吸引。那么，為什么在膨脹的宇宙中，有些東西又不會膨脹呢？
關于上述問題，先來了解一下引力理論。牛頓把空間想象成絕對不變的，其中的天體通過引力互相吸引。但愛因斯坦認為，空間不是絕對不變的，而是會在質量和能量的作用下發生彎曲，空間中的物質和能量決定了時空結構是如何彎曲的。
但如果宇宙空間中存在著達到一定密度的物質和能量，它們將不可避免地使整個宇宙坍縮成奇點。但愛因斯坦認為宇宙是靜態的，所以他在引力場方程中添加了一個宇宙常數。宇宙常數代表一種額外形式的能量滲透到真空中，它們可以排斥引力，阻止引力坍縮，使宇宙保持穩恒態。
然而，并不是所有的物理學家都像愛因斯坦那樣認為宇宙是靜態的。物理學家弗里德曼證明，如果引力場方程不加上額外的宇宙常數，將會得到一個具有活力的宇宙，方程將會有兩類解：一類是坍縮的宇宙，另一類是膨脹的宇宙。
數學只能給出可能的解，但我們還需要從真實的宇宙中去尋找正確的解。在1924年，天文學家哈勃發現了通過恒星測量河外星系的方法。
另一方面，與哈勃同時代的天文學家斯里弗發現，宇宙任何地方的原子都會以特定的頻率吸收和發射光，這取決于它們的電子是如何被激發或者制激。當他觀測遙遠星系的光譜時發現，原子特征光譜移動到了比實際波長更長的波段，這就是現在所說的紅移現象。
當科學家把這兩個觀察結果結合起來時，發現了一個令人難以置信的結果——幾乎所有的星系都在遠離銀河系，并且距離越遠的星系退行得越快。這表明宇宙空間本身正在膨脹，而且這種膨脹發生在空間中的所有地方。對于距離越遠的星系，它們之間的空間膨脹得越多，所以星系互相遠離的速度也就會越快。如果宇宙中的物質非常均勻，那么隨著時間的推移，宇宙的物質密度就會降低，所有的物質都會遠離其他物質。
然而，宇宙并不是完美的均勻和統一的。宇宙中存在著高密度的區域，例如，行星、恒星、星系和星系團。宇宙中還存在著低密度的區域，例如，巨大的宇宙空洞，那里幾乎不存在天體。
之所以一些物體沒有隨著宇宙的膨脹而膨脹，是因為除了宇宙膨脹之外，還有其他物理現象在起作用。在小尺度上，像生物的尺度和更低的尺度上，電磁力和核力占主導地位。在更大的尺度上，比如行星、太陽系和星系，引力占主導地位。
宇宙的膨脹效應只有在宇宙大尺度下才會占主導地位，而在小尺度下引力及其他幾種基本力會占上風，所以生物、行星、恒星以及星系等結構才能維持穩定，而不會隨著宇宙膨脹變大。
在宇宙大尺度下，膨脹是主導作用。正因為如此，最遙遠的星系正以超光速在遠離銀河系，以至于它們發出的光永遠也不會傳播到地球上。需要強調的是，星系退行出現超光速的現象是由空間本身的拉伸膨脹所導致的，而非星系本身在宇宙中的運動速度真的超過光速。
隨著宇宙不斷膨脹，而且是在加速膨脹（因為宇宙中可能存在神秘的暗能量），最終只有本星系群及更小的宇宙結構才能維持穩定。而像本星系群所在的本超星系團，最終會在空間膨脹的作用下發生解體。在未來的宇宙中，只能觀測到銀河系附近的極少數星系，那些遙遠星系發出的光再也無法抵達地球被我們觀測到，宇宙將會是空蕩而黑暗的樣子，變得與現在完全不同。
