1906年，荷兰天文学家卡普坦提出“选区计划”，重新研究银河系的结构。他得到的银河系模型与赫歇尔类似：太阳居中，中心的恒星密集，边缘稀疏。
1918年，沙普利提出，银河系是一个透镜状的恒星系统，其中心位于人马座方向，而不是太阳系。后来的观测逐渐证明，沙普利的模型较为接近真实的银河系，因而被沿用至今。
在1936年，天文学家哈勃制定了现称哈勃序列，且至今仍被使用的星系分类法。
在1944年，亨德力克·赫尔斯特预言氢原子会辐射出21公分波长的微波，结果在1951年发现来自星际氢原子的辐射线。这条辐射线允许对星系做更深入的研究，因为它不会被星际尘埃吸收，并且来自它的都卜勒位移能够映像出星系内气体的运动。由此科学家可以分辨出在星系中心的棒状结构，配合无线电望远镜，在其它星系内的氢原子也能被追踪到。在1970年，维拉·鲁宾的研究发现星系可见的总质量不能适当的说明星系中气体的转动速度。如今未能观察到的大量暗物质已经用于解释星系自转问题。
从1990年代开始，哈勃太空望远镜提高了观测的效益，尤其是它确认了神秘的暗物质不可能是在星系中的暗弱小天体。哈勃深场，是对天空的一个区域进行极长时间的曝光。它提供了宇宙中可能有多达1，750亿个星系的可能证据。在不可见光的光谱侦测技术上的改进，让人类可以见到连哈勃太空望远镜也看不见的其它星系。特别是对天空中隐匿带的星系巡天，揭露了相当数量的新星系。
右边这张“哈勃”超深场照片，显示的是天炉座的一小部分天区，拍摄于2003年9月24日至2004年1月16日，累计曝光时间11.3天，是迄今人类获得的最深远的宇宙影像。照片中显示的是130多亿年前的宇宙，其中有近个星系，年龄在4~8亿年间。
星系主要分成三类：椭圆星系、螺旋星系和不规则星系。
根据哈勃星系分类法，E表示椭圆星系，S是螺旋星系，SB是棒旋星系，S0是透镜星系。
哈勃根据椭圆星系椭率的估计进行分类，从E0，接近圆形的星系，到E7，非常瘦长的星系。这些星系，不论视线的角度是如何，都有着椭圆形的外观。它们看似没有任何的结构，而且相对来说星际物质的成分也很少。通常这些星系会有少量的疏散星团和少量新形成的恒星，更多的的是老年的，与以各种不同方向环绕星系的中心旋转的已经成熟的恒星为主。它们的一些性质类似较小的的球状星团。
大部分的星系都是椭圆星系，许多椭圆星系是经由星系的交互作用，碰撞或是合并形成的。巨大的椭圆星系经常出现在星系群的中心区域。星爆星系是星系碰撞后的结果，有可能导致巨大椭圆星系的形成。
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