Desde que la teoría de la relatividad general de Einstein se aplicó a lo que se conoce sobre el universo en su conjunto, se sospechó que el universo se estaba expandiendo. Cuando Edwin Hubble y Milton Humason descubrieron en la década de 1920 que prácticamente todas las galaxias del cielo se alejaban de nosotros a grandes velocidades, esto generó sospechas de que el universo se estaba expandiendo a un ritmo rápido. Sin embargo, no fue hasta el año 2000 que finalmente se encontró evidencia decisiva a favor de la expansión del universo, en forma de extensos estudios de desplazamiento al rojo de objetos muy distantes.
El universo en expansión se cita a menudo como el hallazgo más significativo de la cosmología moderna. En la época de Einstein, la teoría del estado estacionario era la predominante, que afirmaba que el universo permanecía equilibrado al mismo tamaño. Einstein, cuyas ecuaciones predijeron la expansión o contracción universal pero no la estasis, introdujo artificialmente una variable estabilizadora en sus ecuaciones, llamada «constante cosmológica». Después de darse cuenta de las observaciones de Hubble de que el universo probablemente se estaba expandiendo, más tarde lo llamó su «mayor error».
El fenómeno que llevó por primera vez a los cosmólogos y astrónomos a predecir un universo en expansión fue el análisis de Hubble del corrimiento al rojo. Utilizando el Observatorio Mount Wilson, que era el mejor telescopio del mundo en ese momento, Hubble observó galaxias distantes y vio que se veían progresivamente enrojecidas. Miró más lejos en el espacio y, por extensión, también más atrás en el tiempo, ya que la luz tarda muchos miles de millones de años en viajar desde estas galaxias a la Tierra. Debido a que el factor de enrojecimiento se correlacionó tan bien con los aumentos en la distancia, Hubble sospechó que se trataba de un fenómeno confiable con una causa física.
Se determinó que la causa era la siguiente: a medida que el universo se expande, el espacio subyacente aumenta de volumen, pero la luz que viaja a través de él sigue siendo la misma. El espacio en expansión extiende la longitud de onda de la luz, haciéndola más larga y, por lo tanto, más roja. Una analogía que a veces se usa son los puntos en la superficie de un globo en expansión. Dibuja un patrón de onda en un globo y, mientras lo inflas, observa cómo la onda se estira y se hace más larga. Este es el mismo principio detrás del fenómeno del corrimiento al rojo.
En 1998, se descubrió no solo que el universo se está expandiendo, sino que probablemente se esté expandiendo a un ritmo acelerado. La razón física de esto se atribuye a una misteriosa «energía oscura», llamada así porque apenas sabemos nada al respecto.