Su interés se dirigió hacia el estudio de las manchas de niebla luminosas situadas en las nebulosas, algunas de las cuales habían sido observadas sistemáticamente por Messier un siglo y medio antes y que constituían todavía una de las tantas interrogantes del cielo. Durante este tiempo las dimensiones de nuestra galaxia (el gran grupo de estrellas entre las cuales está nuestro Sol) habían sido definidas correctamente por Shapley, pero todavía existía el problema de si había algo más que las nubes magallánicas, estudiadas por Leavitt, fuera de la galaxia.
Empezó a sospecharse que quizá las nebulosas pudieran responder a estas preguntas pendientes. Algunas de ellas eran indudablemente nubes de polvo y gas, iluminadas por estrellas que brillaban en su interior y eran indudablemente parte de nuestra galaxia. Sin embargo, la luminosidad de otras, como por ejemplo, la nebulosa de Andrómeda, no podía atribuirse al contenido de estrellas visibles. Si existían e
strellas dentro de esta nebulosa tendría que ser un gran número de ellas, enormemente tenues, que produjeran un efecto semejante al de nuestra Vía Láctea. Puesto que la nebulosa de Andrómeda era más tenue que la Vía Láctea, debería estar mucho más lejos que ésta.
En la nebulosa de Andrómeda se habían localizado algunas novas, pero, hasta la época de Hubble, nunca se habían encontrado estrellas corrientes. En 1924 Hubble y su telescopio gigante (el mayor de aquella época) fueron finalmente capaces de aumentar la observación en detalle de la nebulosa hasta el punto de localizar estrellas dentro de ella. Hubble prosiguió demostrando que algunas estrellas eran en realidad variables cefeadas. Usando la ley del periodo y la luminosidad de Shapley y Leavitt, Hubble llegó a la conclusión de que la nebulosa de Andrómeda estaba situada a unos 800.000 años luz de la Tierra, ocho veces la distancia de la estrella más lejana de nuestra galaxia. (Veinte años después se halló que esta distancia era una estimación muy corta.) No cabía pues preguntarse si la nebulosa Andrómeda se encontraba más allá de nuestra propia galaxia.
Posteriormente se situaron otras nebulosas a distancias todavía mucho mayores. De esta manera Hubble fundó el estudio del universo más allá de nuestra galaxia y dio la primera indicación de la existencias de lo que él llamó <nebulosas extragalácticas> (cuerpos que ahora sabemos que existen innumerables de ellos). Posteriormente Shapley propuso la lógica sugerencia de que las nebulosas extragalácticas recibieran el nombre de galaxias, haciendo hincapié en el hecho de que nuestra propia galaxia (llamada algunas veces galaxia de la Vía Láctea) era una de tantas.
Hubble prosiguió sus trabajos dedicándose a clasificar las galaxias de acuerdo con su forma sugiriendo el camino posible de su evolución. El mayor resultado de sus investigaciones fue el análisis, en 1929, de las velocidades radiales de las galaxias, medidas anteriormente por Slipher. Hubble sugirió que la velocidad con la que las galaxias se alejaban de nosotros era directamente proporcional a la distancia que nos separaba de ellas. Este fenómeno se podía explicar mejor suponiendo que el universo se expansiona permanentemente, como ya había sugerido Sitter. Si esto ocurría, la distancia entre cada una de las galaxias aumentaba permanentemente y, por tanto, todas ellas se alejarían de un observador situado en cualquier galaxia utilizada como punto de observación. Se sugería también que, a gran distancia de nosotros, la velocidad de alejamiento alcanzaría la luz, de modo que ni la luz ni cualquier otra forma de comunicación podrían llegarnos de estas galaxias o de otras aún más lejanas. Esta distancia, llamada radio de Hubble, representaba el de aquella parte del universo que podemos llegar a conocer.
Si la sugerencia de Hubble era correcta, la velocidad de alejamiento podría utilizarse para determinar la distancia de una nebulosa. A partir de esta distancia se podría determinar el verdadero tamaño de la galaxia. Cuando esto se hubo hecho resultó que todas las galaxias demostraron ser marcadamente menores que nuestra propia Vía Láctea. Posteriormente, en 1931, Hubble estudió las capas globulares de la galaxia Andrómeda (que ya no se la denominaba nebulosa), que se parecían a las de nuestra propia galaxia en cuanto que estaban distribuidas alrededor de su centro. Hubble encontró que las capas de la Andrómeda eran marcadamente menores que las de la nuestra.
Este tamaño tan poco corriente de nuestra galaxia resultó ser una ilusión, basada en un error de la curva periodo-luminosidad, que Baade corregiría una década más tarde.
Todos los esquemas cosmológicos debían recoger esta expansión del universo. La explicación más simple es que el universo se expande porque en alguna época del lejano pasado hizo explosión, teoría del Gran Estallido (Big Ban), apoyada por Lemaître y Gamow.
El trabajo de Hubble sobre el alejamiento de las galaxias fue llevado adelante por Humason.
A finales del siglo XX se lanzó al espacio y se puso en orbita un gran telescopio, este recibió el nombre Hubble.
