在晴朗无月的夜晚，我们可以看到天空上一条白茫茫的光带。它环绕整个天空，我国古人称之为天河、星河、银河、银汉、天津等，西方人称之为“牛奶之路”（milkway）。1609年伽利略利用望远镜观测星空后，人们才知道，银河是由许许多多的星星组成的，并没有什么天河。
将全天的恒星与银河作为一个天体系统，则是英国天文学家威廉·赫歇耳提出的，他是通过恒星的直接计数发现的。恒星计数是相当困难的工作，他和他的妹妹嘉洛琳在长达十几年的时间内，做了1083次观测，共计数了11.76万颗恒星。1785年赫歇耳在《论星空的结构》一文中，宣布了自己研究的结果：全天的星星组成一个有点破口的铁饼状，他起名为银河系，这是天文学史上的第二个银河系模型。后来人们查出，图中的那个缺口恰是银河在天鹅座附近的“煤袋”，那个方向天空中充满了气体与尘埃，将在它后面的恒星的光给吸收掉了，所以人们看不到一颗星。
威廉·赫歇耳由于在恒星天文学上的开创性工作，被后人尊称为“恒星天文学之父"。
赫歇耳把太阳系作为银河系的中心，但实际上并不是这样的。美国天文学家沙普利利用当时世界上最大的望远镜（口径为2.5米，在威尔逊山天文台），观测了不少球状星团。由球状星团的分布，他得出银河系的中心在人马座方向，而太阳位于银河系的边缘附近。沙普利估计银河系的直径约为30万光年，太阳距离银河系中心约有6万光年。不过这个模型比现代测定的要大得多。
对于银河系的重大研究成果是荷兰天文学家奥尔特所完成的。1927年，他依据恒星的自行和视向速度确定了银河系自转的公式，来说明整个银河系在旋转着。太阳距离银河系中心约3万光年，太阳以每秒250千米的速度绕银河系中心做圆周运动，估计2.5亿年公转一周。他还算出银河系的质量是1.4×1011个太阳质量。
1930年，瑞士天文学家特朗普勒指出，星际空间并不是空无一物，而是充满了一种极稀薄的雾状物质，它能吸收远方的星光（称“星际吸光”或“星际消光”），使得它们显得比实际的距离要远些。球状星团经过星际消光改正后，距离就大为缩小，因此沙普利的银河系直径只有10万光年，同奥尔特推算的结果相符合。
对于银河系构造的进一步研究，主要依赖于射电天文方法。1951年美国哈佛天文台的珀塞尔、尤恩等首先观测到来自银河的波长21厘米的谱线信号。21厘米谱线是氢原子云发射的，而氢原子云是构成星际物质的主要成分。因此，通过中性氢21厘米谱线就能了解银河系的结构。奥尔特等人就是依据这种探测，证实了早先有人提出的银河系具有旋涡构造这一论证。
现在，人们通过光学、射电及空间观测手段，对于我们银河系的构造有了较深入的了解。
银河系的主要物质组成一个扁的铁饼形。中央鼓出，两边细长。银盘直径约为7万光年，太阳距银河系中心为2.3万光年。银盘平均厚度约5000光年，中心核球直径约1万光年。在核球正中还有一个银核，直径约30光年，在主要发光部分以外，还有稀薄分布的老年恒星与尘埃气体组成的“雾球”，称为银晕。银晕的直径约为10万光年。近年来，发现在银晕以外，还有极稀薄的气体组成的银冕。银冕的直径约有60万光年。
银河系具有旋涡结构，绝大部分的恒星与星际物质分布在3条旋臂上，称为人马臂、猎户臂与英仙臂。太阳位于猎户臂的内侧。此外，在银河系中心方向还发现了一条3000秒差距臂。旋臂间的距离约1600秒差距。在银河系中心直径为2万光年的范围内充满了激烈的氢气湍流。