第一个通过观测研究恒星系统本原的是F.W.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。他用50 厘米和120厘米口径望远镜观测,发现望远镜贯穿本领增 加时，观察到的暗星也增多，但是仍然看不到银河系的边缘。F.W.赫歇耳意识到，银河系远比他最初估计的为大。F.W.赫歇耳死后，其子J.F.赫歇耳继承父业，将恒星计数工作范围扩展到南半天。十九世纪中叶，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”。他于1922年得出与F.W.赫歇耳的类似的模型，也是一个扁平系统，太阳居中，中心的恒星密集，边缘稀疏。沙普利在完全不同的基础上，探讨银河系的大小和形状。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。到二十年代，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）。

恒星成双、成群和成团是普遍现象。在太阳附近25 秒差距以内，以单星形式存在的恒星不到总数之半。迄 今已观测到球状星团132个,银河星团1,000多个,还有为 数不少的星协。据统计推论，应当有18,000个银河星团 和500个球状星团。二十世纪初,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，证认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。根据电离氢区的描绘， 发现太阳附近有三条旋臂:人马臂、猎户臂和英仙臂;太阳位于猎户臂的内侧。此外，在银心方向还发现了一条3千秒差距臂。旋臂间的距离约1.6千秒差距。1963年,用 射电天文方法观测到星际分子OH，这是自从1937～1941年间,在光学波段证认出星际分子CH、CN和CH+以来的重 大突破。到1979年底，发现的星际分子已超过50种。