Về quan sát, trong thập niên 1910, Vesto Slipher và sau đó là Carl Wilhelm Wirtz đã xác định những tinh vân xoắn ốc nhất (ngay nay được xác định chính xác là các thiên hà xoắn ốc) đã lùi xa tính từ Trái Đất. Slipher đã sử dụng quang phổ học để điều tra những giai đoạn quay của các hành tinh, sự tạo ra khí quyển các hành tinh. Đó cũng là nỗ lực đầu tiên để quan sát tốc độ góc của các thiên hà. Wirtz đã quan sát được bức xạ hồng ngoại của tinh vân, điều khó biểu diễn trong một vũ trụ được lấp đầy ít nhiều đồng đều bởi sao và tinh vân. Điều đó không gây sự chú ý thiên văn, và các tinh vân được đề xuất thực sự là các thiên hà nằm ngoài Ngân Hà.

Cũng trong thập kỷ đó, Albert Einstein với lý thuyết tương đối tổng quát sẽ không có giải pháp vũ trụ tĩnh và đưa ra giả sử cơ bản trong nền tảng lý thuyết của Big Bang. Vũ trụ (không-thời gian) đã được mô tả bằng một tensor mét và vũ trụ này có thể đang mở rộng hay co lại (không phải là nhất quán hay bất biến). Kết quả này, đến từ một sự phát triển của các phương trình trường của lý thuyết tổng quát, lúc đầu đã dẫn dắt Einstein đến việc xem xét phải chăng cách ông xây dựng phương trình trường có thể là một lỗi và ông đã cố sửa nó bằng một hằng số vũ trụ. Hằng số này sẽ sửa chữa lại cho mô tả của thuyết tương đối tổng quát về không-thời gian một tensor mét bất biến cho việc tạo ra vũ trụ hay sự tồn tại. Một người đầu tiên đã nghiêm túc áp dụng lý thuyết tương đối tổng quát mà không sử dụng hằng số vũ trụ là Alexander Friedmann. Friedmann đã suy ra vũ trụ đang mở rộng bằng phương trình trường của lý thuyết tổng quát vào năm 1922. Tài liệu của ông vào năm 1924 bao gồm Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes (Về khả năng của một thế giới với sự uốn cong âm bất biến) được xuất bản tại Viện Hàn lâm Berlin về Khoa học vào ngày 7 tháng 1 năm 1924.[5] phương trình của Friedmann đã mô tả một vũ trụ Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker.

Trong năm 1927, Kito hữu người Bỉ Georges Lemaître đã đề xuất một mô hình mở rộng cho vũ trụ để giải thích những chuyển dịch đỏ đã quan sát được trong các tinh vân xoắn ốc và đã tình toán định luật Hubble. Ông tạo ra lý thuyết của mình dựa trên những công trình nghiên cứu của Einstein và Willem de Sitter và độc lập suy luận các phương trình của Friedmann cho một vũ trụ mở rộng. Đồng thời, bức xạ hồng ngoại không hề nhất quán mà biến đổi trong trong những cách như thể để dẫn dắt đến kết luận rằng có một mối quan hệ xác định giữa số lượng của các dịch chuyển đỏ của các tinh vân và khoảng cách của chúng từ các nhà quan sát.

Trong năm 1929, Edwin Hubble đã cung cấp một nền tảng quan sát dễ hiểu cho lý thuyết Lemaître. Những quan sát mang tính thí nghiệm của Hubble đã khẳng định điều rằng, xét tương đối với Trái Đất và tất cả những vật thể được quan sát khác, các thiên hà đang dần rời xa theo mọi hướng với tốc độ (được tính toán từ bức xạ hồng ngoại) tỷ lệ trực tiếp với khoảng cách của chúng tính từ Trái Đất và với nhau. Trong năm đó, Hubble và Milton Humason đã xây dựng lý thuyết khoảng cách theo bức xạ hồng ngoại theo kinh nghiệm của mình về các thiên hà, nay được biết đến là định luật Hubble. Định luật này cho rằng một khi bức xạ hồng ngoại được biểu diễn như là một thước đo của tốc độ rời xa, thì sẽ phù hợp với lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein về một vũ trụ đang mở rộng đồng nhất và đẳng hướng. Tự nhiên đẳng hướng của sự mở rộng là bằng chứng trực tiếp nếu vũ trụ đang mở rộng không vật thể nào trong vũ trụ có thể di chuyển xa hơn trở thành một chỗ trống cùng tồn tại lớn hơn một cách vô hạn. Đó là sự biểu diễn cho phép khái niệm về một vũ trụ đang mở rộng. Đinh luật đã xác định điều quan trọng hơn của khoảng cách giữa bất kỳ hai thiên hà nào, và tốc độ tương đối của chúng để biệt lập với nhau. Sự khám phá này sau đó đã dẫn đến việc thiết lập mô hình Big Bang.

Trong năm 1931, Lemaître, trong tác phẩm hypothèse de l'atome primitif (lý thuyết về nguyên tử nguyên thủy rằng vũ trụ bắt đầu với một tiếng nổ của một nguyên tử - sau đó được gọi là Vụ nổ Lớn. Ông cho rằng các tia vũ trụ là dấu vết còn lại của sự kiện đó, mặc dù bây giờ chúng ta biết bắt đầu với những thiên hà cục bộ. Lemaître đã phải đợi cho đến khi qua đời để có thể nghiên cứu về bức xạ phóng vi sóng vũ trụ bức xạ dấu vết của một thứ đặc và nóng trong buổi đầu của vũ trụ.[6]