Cụm thiên hà là một tập hợp gồm hàng trăm đến hàng nghìn thiên hà liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn. Chúng là những cấu trúc liên kết bằng lực hấp dẫn lớn nhất trong vũ trụ. Dải Ngân hà là một phần của nhóm nhỏ gọi là Nhóm Địa phương, bao gồm khoảng 50 thiên hà. Cụm thiên hà lớn gần nhất là Cụm Virgo, cách Trái đất khoảng 54 triệu năm ánh sáng.

Các cụm thiên hà không chỉ đơn thuần là tập hợp các thiên hà. Chúng chứa một lượng lớn khí nóng, được gọi là môi trường giữa các cụm, phát ra tia X. Chúng cũng chứa vật chất tối, chiếm phần lớn khối lượng của chúng. Các thiên hà có thể nhìn thấy chỉ chiếm một vài phần trăm tổng khối lượng của một cụm. Phần còn lại là khí và vật chất tối.

Các cụm thiên hà rất hữu ích cho ngành vũ trụ học. Số lượng và sự phân bố của chúng phụ thuộc vào lịch sử giãn nở của vũ trụ cũng như các đặc tính của vật chất tối và năng lượng tối. Việc đếm các cụm thiên hà ở các khoảng cách khác nhau cho chúng ta biết vũ trụ đã tiến hóa như thế nào.

Các cụm thiên hà cũng hoạt động như những thấu kính hấp dẫn. Vầng hào quang vật chất tối khổng lồ của chúng bẻ cong ánh sáng của các thiên hà nền, phóng đại và làm biến dạng chúng. Hiệu ứng đó cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu những thiên hà mà nếu không có chúng sẽ quá mờ nhạt để có thể nhìn thấy. Kính viễn vọng không gian Hubble đã sử dụng các thấu kính cụm thiên hà để tìm ra một số thiên hà xa nhất được biết đến.