科学家发现银河系经历了漫长的过程。望远镜发明后，伽利略首先用望远镜观测银河，发现银河由恒星组成；而后，T.赖特、I.康德、J.H.朗伯等认为，银河和全部恒星可能集合成一个巨大的恒星系统。
1750年，英国天文学家赖特（Wright Thomas）认为银河系是扁平的。1755年，德国康德和郎伯特（Lambert Johann heinrich）提出了恒星和银河之间组成一个巨大的天体系统。1785年，英国天文学家威廉·赫歇耳绘出了银河系的扁平形体，并认为太阳系位于银河的中心。
1918年，美国天文学家沙普利（Harlow Shapley）经过4年的观测，提出太阳系应该位于银河系的边缘。1926年，瑞典天文学家林得布拉德（Lindblad Bertil）分析出银河系也在自转。
在18世纪后期，F.W.赫歇尔用自制的反射望远镜开始恒星计数的观测，以确定恒星系统的结构和大小，他断言恒星系统呈扁盘状，太阳离盘中心不远。他去世后，其子J.F.赫歇尔继承父业，继续进行深入研究，把恒星计数的工作扩展到南天。
20世纪初，天文学家把以银河为表观现象的恒星系统称为银河系。J.C.卡普坦应用统计视差的方法测定恒星的平均距离，结合恒星计数，得出了一个银河系模型。在这个模型里，太阳居中，银河系呈圆盘状，直径8千秒差距，厚2千秒差距。H.沙普利应用造父变星的周光关系，测定球状星团的距离，从球状星团的分布来研究银河系的结构和大小。他提出的模型是：银河系是一个透镜状的恒星系统，太阳不在其中心。沙普利计算出：银河系直径80千秒差距，太阳离银心20千秒差距，这些数值太大，因为沙普利在计算距离时未计入星际消光。
20世纪20年代，银河系自转被发现后，沙普利的银河系模型得到公认。银河系是一个巨型棒旋星系（漩涡星系的一种），Sb型，共有4条旋臂。包含1200亿颗恒星。银河系整体作较差自转，太阳处自转速度约220千米/秒，太阳绕银心运转一周约2.5亿年。银河系的目视绝对星等为－20.5等，银河系的总质量大约是我们太阳质量的1.4万亿倍，大致10倍于银河系全部恒星质量的总和。这是我们银河系中存在范围远远超出明亮恒星盘的暗物质的强有力证据。关于银河系的年龄，占主流的观点认为，银河系在宇宙大爆炸之后不久就诞生了，用这种方法计算出，我们银河系的年龄大概在125亿岁左右，上下误差各有5多亿年。而科学界认为宇宙大爆炸大约发生于138亿年前。
2014年，科学家公布了最新的观测数据，银河系的质量仅为仙女座的一半。这个研究结果来自一支国际研究小组，包括卡内基·梅隆大学的宇宙学家马修·沃克，他们的研究论文发表在英国皇家天文学会的月刊上。论文指出，研究小组使用了一种全新的方法去测量星系的质量，比以往的测量方法更加精确。
2015年3月，科学家使用斯隆数字巡天勘测数据分析了银河系边缘恒星的亮度和距离，结果发现银河系边缘像瓦楞纸板一样，存在皱褶结构，凹槽中存在着恒星。实际上这些恒星区域也是银河系的一部分，真实的银河系比之前预想大50%。
