1.古代探索史
虽然从非常久远的古代，人们就认识了银河系。但是对银河系的真正认识还是从近代开始的。
1750年，英国天文学家托马斯·赖特认为银河系是扁平的。1755年，德国哲学家康德提出了恒星和银河之间可能会组成一个巨大的天体系统；随后的德国数学家约翰·郎伯特也提出了类似的假设。到1785年，英国天文学家威廉·赫歇耳绘出了银河系的扁平形体，并认为太阳系位于银河的中心。
1918年，美国天文学家沙普利经过4年的观测，提出太阳系应该位于银河系的边缘。1926年，瑞典天文学家林得布拉德分析出银河系也在自转。
2.近现代研究
18世纪中叶人们已意识到，除行星、月球等太阳系天体外，满天星斗都是远方的“太阳”。赖特、康德和朗伯特最先认为，很可能是全部恒星集合成了一个空间上有限的巨大系统。
第一个通过观测研究恒星系统本原的是威廉·赫歇耳。他用自己磨制的反射望远镜，计数了若干天区内的恒星。1785年，他根据恒星计数的统计研究，绘制了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居其中心的银河系结构图。威廉·赫歇耳死后，他的儿子乔治·赫歇耳继承父业，将恒星计数工作范围扩展到南半天。19世纪中叶，他开始测定恒星的距离，并编制全天星图。1906年，卡普坦为了重新研究恒星世界的结构，提出了“选择星区”计划，后人称为“卡普坦选区”。他利用1908～1912年勒维特发现的麦哲伦云中造父变星的周光关系，测定了当时已发现有“造父变星”的球状星团的距离。在假设没有明显星际消光的前提下，于1918年建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。到20年代，沙普利模型已得到天文界公认。由于未计入星际消光效应，沙普利把银河系估计过大。到1930年，特朗普勒证实星际物质存在后，这一偏差才得到纠正。
银河系物质约90%集中在恒星内。1905年，赫茨普龙发现恒星有巨星和矮星之分。1913年，赫罗图问世后，按照光谱型和光度两个参量，得知除主序星外，还有超巨星、巨星、亚巨星、亚矮星和白矮星五个分支。1944年，巴德通过仙女星系的观测，判明恒星可划分为星族Ⅰ和星族Ⅱ两种不同的星族。星族Ⅰ是年轻而富金属的天体，分布在旋臂上，与星际物质成协。星族Ⅱ是年老而贫金属的天体，没有向银道面集聚的趋向。1957年，根据金属含量、年龄、空间分布和运动特征，进而将两个星族细分为中介星族Ⅰ、旋臂星族（极端星族Ⅰ）、盘星族、中介星族Ⅱ和晕星族（极端星族Ⅱ）。
迄今已观测到球状星团132个，银河星团1000多个，还有为数不少的星协。20世纪初，巴纳德用照相观测，发现了大量的亮星云和暗星云。1904年，恒星光谱中电离钙谱线的发现，揭示出星际物质的存在。随后的分光和偏振研究，认证出星云中的气体和尘埃成分。近年来通过红外波段的探测发现，在暗星云密集区有正在形成的恒星。射电天文学诞生后，利用中性氢21厘米谱线勾画出银河系旋涡结构。
目前，人们对银河系的起源这一重大课题还了解有限。这不仅要研究一般星系的起源和演化，还必须研究宇宙学。
银河系演化的研究近年来才有一些成就。关于太阳附近老年恒星空间运动的资料表明，在原银河星云的坍缩过程中，最早诞生的是晕星族，它们的年龄是100多亿年，化学成分是氢约占73%，氦约占27%。而大部分气体物质集聚为银盘，并随后形成盘星族。近年还从恒星的形成和演化、元素的丰度的变迁、银核的活动及其在演化中的地位等角度探讨银河系的整体演化。20世纪60年代发展起来的密度波理论，很好地说明了银河系旋涡结构的整体结构及其长期的维持机制。
以前，科学家一直认为，在地球所在的星系中，仙女座星系、银河系和三角星系是三个最大的星系。其中仙女座最大，银河系只是仙女座的“小妹妹”，银河系与仙女座星系的大小差不多。
近年来，国际天文学家研究发现，地球所在的银河系比原来以为的要大，运转的速度也更快。天文学家利用天文望远镜观察得出结论：银河系正以每小时90万千米的速度转动，比之前估计的快大约百分之十。银河系的体积也比之前预计的大一半左右。
科学家观测认为：仙女座星系正以每秒300千米的速度朝向银河系运动，在30亿至40亿年后可能会撞上银河系。但即使真的发生碰撞，太阳以及其他的恒星也不会互相碰撞，但是这两个星系可能会花上数十亿年的时间合并成椭圆星系。
科学家们也指出，体积越大，与邻近星河发生灾难性撞击的可能性也增大。不过，即使发生也将是在二三十亿年之后。