Vũ trụ học nghiên cứu toàn bộ vũ trụ. Nguồn gốc, cấu trúc, sự tiến hóa và số phận của nó. Đây là ngành khoa học quy mô lớn nhất hiện có, và trong thế kỷ qua, nó đã được chuyển đổi từ suy đoán sang đo lường chính xác.

Bức tranh hiện đại về vũ trụ thật kỳ lạ. Vũ trụ bắt đầu từ trạng thái nóng và đặc cách đây 13,8 tỷ năm. Nó giãn nở, nguội đi và hình thành các nguyên tử, ngôi sao, thiên hà và cụm thiên hà. Nó vẫn đang giãn nở, và sự giãn nở đó đang tăng tốc, được thúc đẩy bởi một thứ gọi là năng lượng tối. Vật chất thông thường, thành phần cấu tạo nên các ngôi sao, hành tinh và con người, chỉ chiếm khoảng 5% vũ trụ. Vật chất tối chiếm khoảng 27%. Phần còn lại là năng lượng tối.

Các nhà vũ trụ học sử dụng nhiều bằng chứng khác nhau: bức xạ nền vi sóng vũ trụ, sự phân bố các thiên hà, hàm lượng các nguyên tố nhẹ và sự giãn nở gia tốc được đo từ các siêu tân tinh. Những quan sát này kết hợp lại thành một mô hình gọi là Lambda-CDM, là mô hình chuẩn của vũ trụ học. Mô hình này chưa hoàn chỉnh, nhưng nó hoạt động rất hiệu quả.

Những câu hỏi lớn nhất chưa được giải đáp là vật chất tối và năng lượng tối thực sự là gì. Trả lời chúng sẽ cần đến vật lý học mới, các thí nghiệm mới và có lẽ cả những ý tưởng mới.