ब्रह्मांड विज्ञान पूरे ब्रह्मांड का अध्ययन करता है। इसकी उत्पत्ति, इसकी संरचना, इसका विकास, इसका भविष्य। यह सबसे व्यापक स्तर का विज्ञान है, और पिछली शताब्दी में यह अटकलों से परिशुद्ध मापन की ओर परिवर्तित हो गया है।

आधुनिक परिदृश्य विचित्र है। ब्रह्मांड की उत्पत्ति 13.8 अरब वर्ष पूर्व एक गर्म, सघन अवस्था में हुई थी। यह फैला, ठंडा हुआ और परमाणु, तारे, आकाशगंगाएँ और समूह बने। यह अभी भी फैल रहा है, और यह फैलाव तेज हो रहा है, जिसे डार्क एनर्जी नामक पदार्थ संचालित कर रहा है। साधारण पदार्थ, यानी तारे, ग्रह और मनुष्य, ब्रह्मांड का केवल लगभग 5 प्रतिशत भाग बनाते हैं। डार्क मैटर लगभग 27 प्रतिशत है। शेष भाग डार्क एनर्जी है।

ब्रह्मांड विज्ञानी कई प्रकार के प्रमाणों का उपयोग करते हैं: ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि, आकाशगंगाओं का वितरण, हल्के तत्वों की प्रचुरता और सुपरनोवा से मापा गया त्वरित विस्तार। ये सभी अवलोकन लैम्डा-सीडीएम नामक एक मॉडल में समाहित होते हैं, जो ब्रह्मांड विज्ञान का मानक मॉडल है। यह पूर्ण नहीं है, लेकिन यह उल्लेखनीय रूप से कारगर है।

सबसे बड़ा अनसुलझा सवाल यह है कि डार्क मैटर और डार्क एनर्जी वास्तव में क्या हैं। इनके जवाब ढूंढने के लिए नई भौतिकी, नए प्रयोग और शायद नए विचारों की आवश्यकता होगी।