早在15世纪中期，法国大主教尼古拉就已经猜测夜空中的众多繁星都是极其遥远的太阳。1584年，意大利思想家布鲁诺进一步明确提出宇宙无限的概念，并认定太阳只是一颗普通的恒星。然而，鉴于这些天才的猜测缺乏实测科学依据的支持，学者们并没有给以充分的关注。
对银河系本质的认识首先归功于望远镜的问世。608年，荷兰人利伯希在一次偶然机会中发明了望远镜。1609年，伽利略率先把自制的望远镜对准银河，结果发现银河实际上由无数颗恒星构成，只是由于这些星星既多又暗，且密集在一起，肉眼无法加以分辨，在晴朗夜空中形成了一条模糊但却又不规则的银白色光带——银河。1750年，英国天文学家赖特正确指出，银河和天空中所有的恒星构成一个扁平状的巨大恒星系统，不过他并没有给出观测证据。
首先通过实测探究银河系结构的是英国天文学家、天王星发现人威廉·赫歇尔。从1770年代起，赫歇尔开始用恒星计数方法研究银河系结构。在几十年内所作的总共1083次观测中，他计数了117600颗恒星，就当时的条件来说工作量非常大、赫歇尔表之付出了极大的心血。 1785年，赫歇尔观测的基础上加上一些理论假设，建立了天文学史上的第一个银河系模型。
赫歇尔的工作具有十分重大的历史意义，它证实了作为一个恒星系统的银河系的客观存在，使人类的视野从太阳系范围大大地拓展了。同时这是继哥白尼建立日心说之后，天文学发展史上的又一个重要里程碑，赫歇尔于是被后人誉为恒星天文学之父。
在赫歇尔的模型中，太阳依旧位于那时所认识的宇宙范围——银河系的中心。基于赫歇尔当时在天文界中有着非常高的声望，这一不正确的概念维持了130余年。
1830年代发明了照相术，荷兰天文学家卡普坦首先意识到这可以为天文学家提供一种全新的观测手段，他认定，借助照相方法重做恒星计数工作，可望得出比赫歇尔更好的结果。
经过不懈的努力，卡普坦于1922年提出的银河系模型：银河系主体具有盘状结构，直径5.5万光年，厚1.1万光年，其中包含了474亿颗恒星；太阳位于靠近盘中心的位置上，离中心约为2000~ 2300光年，世人称为“卡普坦宇宙”。可惜的是，尽管卡普坦曾正确认识到“太阳到系统的中心必定有非常大的距离”，但他最终还是放弃了。
正确判定太阳在银河系中位置的工作是由美国天文学家沙普利首先完成的。1918年，沙普利研究了69个球状星团的空间分布，结果发现有90%位于银河系中心方向一侧，并根据球状星团分布这种“一边倒”的观测现象，推断太阳并不居于银河系中心，而是处在比较靠近银河系边缘的位置上。这一结论为深入研究银河系结构打下了基础。
在沙普利的模型中，太阳位于距银河系中心约5万光年处，而所有球状星团涉及的空间范围约为30万光年，这个数字实际上是偏大了。此刻，距赫歇尔提出的第一个银河系模型已经过去了130余年。
根据近代天文观测和研究可以知道，银河系是一个旋涡星系，年龄估计在100亿年以上，总体结构大体可分为4部分，即银盘、核球、银晕和暗晕。银河系总质量（指不计暗晕部分，下同）约为1.4×1011太阳质量，其中以恒星形式出现的大约占90%，由气体和尘埃组成的星际介质占大约10%左右。
银晕外有一个范围更大的物质分布区，这就是暗晕，其成分是暗物质，尺度也许是银晕的10倍，质量可能高达银河系其他部分质量总和的10倍。暗晕的存在主要是根据观测资料间接推定的：倘若银河系物质主要集中在银盘和银核，则离中心越远处，恒星绕银心的转动速度越慢，而实测结果却大相径庭——在太阳附近还有更远的地方，恒星转动的速度大致保持不变，甚至还略有增加。由此可以推断在银河系外围必定存在大量性质尚不很清楚的不发光暗物质，它们构成了暗晕。