Năm 1938, nhà khoáng vật học người Thụy Sĩ Victor Goldschmidt và các đồng nghiệp của ông đã công bố một danh sách mà họ gọi là "sự phong phú của vũ trụ" (cosmic abundances), trong đó liệt kê kết quả phân tích của họ về mẫu vật ở mặt đất và ở thiên thạch.[4] Nhận định về kết quả này, Goldschmidt cho rằng dữ liệu về thành phần hoá học của thiên thạch hiển nhiên là chính xác và khách quan hơn là dữ liệu về khoáng chất lấy trong địa quyển vốn có của Trái đất hay kể cả trong khí quyển, bởi vì đất, đá ở mặt đất đã bị thay đổi đáng kể về mặt hóa học do các quá trình vốn có của Trái Đất và tác động của khí quyển. Do đó, Goldschmidt kết luận rằng vật liệu ngoài Trái Đất mà chủ yếu là thiên thạch phải được đưa vào nội dung nghiên cứu để có dữ liệu chính xác hơn về hoá chất ngoài vũ trụ cùng các biến đổi của chúng. Kết luận của nghiên cứu này được coi là nền tảng của hoá học vũ trụ hiện đại.[1][3]
Trong những năm 1950 và 1960, môn hoá học vũ trụ không chỉ được chấp nhận mà còn phát triển, trong sự phát triển đó Harold Urey được coi là một trong những người cha của hoá học vũ trụ.[1] Ông tham gia vào nhiều nghiên cứu, đã dẫn đến hiểu biết về nguồn gốc của các nguyên tố và sự phong phú về hóa học của các ngôi sao. Năm 1956, Urey và đồng nghiệp của ông là nhà hoá học người Đức Hans Suess, đã công bố bảng đầu tiên về các chất trong vũ trụ bao gồm cả các đồng vị dựa trên phân tích thiên thạch.[5]
Việc tiếp tục hoàn thiện các thiết bị phân tích trong suốt những thập niên 1960, nhất là về phương pháp khối phổ, đã cho phép các nhà hoá học vũ trụ thực hiện các phân tích chi tiết hơn về các nguyên tố trong thiên thạch. Năm 1960, John Reynold - thông qua việc phân tích các hạt nhân tồn tại trong thời gian ngắn của các thiên thạch - đã xác định rằng các nguyên tố tạo thành hệ Mặt trời đã được hình thành trước khi hệ Mặt trời hình thành.[3][6]
Năm 2011, một số nhà khoa học đã báo cáo sự tồn tại của những hợp chất hữu cơ phức tạp thu được từ bụi vũ trụ, gọi là chất rắn hữu cơ vô định hình cấu trúc hỗn hợp thơm không vòng (“amorphous organic solids with a mixed aromatic-aliphatic structure”). Những chất này có thể được tạo ra một cách tự nhiên và nhanh chóng từ các ngôi sao.
Ngày 29 tháng 8 năm 2012 - lần đầu tiên trên thế giới - các nhà thiên văn học tại Đại học Copenhagen đã công bố chính thức việc phát hiện phân tử đường glycolaldehyd từ một hệ sao rất xa, đó là hệ sao đôi IRAS 16293-2422, mỗi sao có kích thước tương tự Mặt Trời, cách nhau 700 au (astronomical units tức đơn vị thiên văn), cách Trái Đất khoảng 400 năm ánh sáng. Glycolaldehyd là một trong những vật liệu cần để tạo thành axit ribônuclêic (ARN). Phát hiện này chứng tỏ các phân tử hữu cơ phức tạp có thể hình thành trong các hệ sao sơ khai trước khi hình thành các hành tinh.
