En 1543, Nicolas Copernic publie De revolutionibus orbium coelestium où il place le Soleil au centre de l'Univers autour duquel orbite la Terre. Ce modèle ne sera progressivement adopté qu'un siècle après sa mort et déclenche ce qu'on appelle la « révolution copernicienne ». Présenté comme une construction purement théorique, il présente cependant une plus grande simplicité. En particulier, le mouvement rétrograde des planètes s'explique par leur déplacement propre combiné avec celui de la Terre et supprime certains épicycles.
Johannes Kepler débute sa carrière comme assistant de Tycho Brahe. Grâce aux relevés très précis de la trajectoire de la planète Mars, qu'aucun modèle n'arrive à reproduire avec exactitude, il est en mesure de déterminer l'origine des irrégularités de son mouvement. En 1609, il démontre dans son Astronomia Nova que l'orbite de Mars est une ellipse dont le Soleil occupe l'un des foyers et met fin au dogme de la parfaite circularité des orbes planétaires. Il decouvre également que le rapport du carré de la période de révolution d'une planète au cube du demi-grand axe de son orbite est constant. Cette loi se révélera extrêmement utile : il suffit de déterminer l'une de ces grandeurs pour immédiatement connaître l'autre.
Le premier dessin de notre satellite, vu au travers d'un instrument optique, est l'œuvre de l'astronome anglais Thomas Harriot. Sa modeste lunette ne grossit que six fois et ne lui permet de croquer que quelques vagues structures, montrant qu'il n'y voit ni cratères, ni montagnes. Son œil, pas plus que son instrument, n'est préparé à se défaire de la doctrine aristotélicienne de l'incorruptibilité des cieux. Reprenant le principe de la lunette d'approche inventée en Hollande, Galileo Galilei la modifie et la perfectionne pour procéder à des observations qui vont bouleverser les fondements de l'astronomie : relief lunaire, composition de la Voie lactée, phases de Vénus, satellites « galiléens » de Jupiter… Il décrit ces différentes découvertes dans un ouvrage de 56 pages : Siderius Nuncius en 1610. La Lune devient un astre semblable à la Terre, avec ses « continents » et ses « mers »…
Le jeune Isaac se révèle être un élève peu attentif. Destiné aux travaux de la ferme, il s'y montre tout aussi peu intéressé. À dix-huit ans, il se retrouve au Trinity College de Cambridge où ses facultés intellectuelles sont vite remarquées. En 1665, une épidémie de peste sévit sur Londres qui l'oblige à s'isoler dans sa région natale dix-huit mois durant. La majorité de ses grands travaux découlent de ces deux années d'isolement. En 1669, il rédige un compte-rendu qui donne naissance aux bases du calcul infinitésimal. À la même époque, il s'intéresse à la nature de la lumière et améliore le principe du télescope à réflexion. En 1687, il publie un ouvrage majeur où il démontre les mouvements des planètes par une formule qui résulte des lois de Kepler : loi de la gravitation universelle.
Lorsqu'il est chauffé, un corps émet un rayonnement dont la couleur varie avec l'accroissement de sa température. La distribution de ce rayonnement est indépendante des propriétés du matériau, elle ne dépend que de la température. Les théories de la physique classique n'expliquaient le spectre du corps noir que pour les grandes longueurs d'onde ; le rayonnement prenait une valeur infinie dans l'ultraviolet. En 1900, le physicien Max Planck cherche une interprétation théorique en plein accord avec les mesures expérimentales, elle introduit une hypothèse radicalement nouvelle : l'échange d'énergie se fait de manière discontinue par quantité minimale d'énergie, baptisée quantum. Ces quanta sont proportionnels à la fréquence selon une constante. Opposé à la théorie atomique de la matière, Max Planck fut décontenancé par sa propre théorie et cherchera même à s'en débarrasser avant d'en admettre la validité. La théorie des quanta est l'acte de naissance d'une nouvelle physique : la physique quantique.
Henrietta Swan Leavitt est une astronome américaine, célèbre pour avoir découvert la relation période-luminosité des céphéides : plus une étoile variable de ce type est intrinsèquement brillante, plus sa période de pulsation est longue. Cette loi, publiée après l'étude de 1 777 variables dans les Nuages de Magellan, a permis à Edwin Hubble de mesurer la distance d'Andromède et de démontrer l'existence d'autres galaxies, ouvrant la voie à la mesure de l'Univers.
Annie Jump Cannon est une astronome américaine, pionnière de la classification spectrale des étoiles. Quasi sourde à la suite d'une scarlatine, elle a travaillé à l'Observatoire de Harvard de 1896 à 1940. En 1901, elle simplifie les schémas existants par le système O, B, A, F, G, K, M (rangé par température décroissante), adopté en 1922 par l'Union astronomique internationale et encore utilisé aujourd'hui. Elle a classé manuellement plus de 350 000 étoiles, publiées dans le Henry Draper Catalogue, et découvert environ 300 étoiles variables, 5 novae et une binaire spectroscopique.
En 1905, Albert Einstein publie une série de quatre articles qui feront date. Le troisième marque une rupture radicale avec la mécanique newtonienne. Son premier postulat suppose que le mouvement d'un objet isolé reste invariant en l'absence de toute force. Le second postulat implique que la vitesse de la lumière reste constante quel que soit le point de vue de l'observateur. Cette théorie de la relativité restreinte élimine la possibilité d'un temps absolu et n'est valide que pour un observateur placé dans un référentiel immobile ou en mouvement rectiligne uniforme. Entre 1907 et 1915, Einstein élabore sa théorie de la relativité générale où les lois de la mécanique sont les mêmes dans un système soumis à la gravité et dans un système accéléré. La gravitation disparaît en tant que force, elle devient une propriété géométrique dépendante de la distribution des masses ; c'est cette déformation de l'espace-temps qui affecte la trajectoire des corps et celle de la lumière.
Edwin Powell Hubble est un astronome américain qui a démontré l'existence de galaxies au-delà de la Voie lactée et formulé, en 1929, la loi de Hubble-Lemaître : les galaxies s'éloignent à une vitesse proportionnelle à leur distance, preuve observationnelle de l'expansion de l'Univers.
Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique très homogène qui remplit tout l'Univers observable, dans le domaine des micro-ondes. Il provient de toutes les directions du ciel, sans source localisée. Il est émis environ 380 000 ans après le Big Bang, moment où les électrons et les protons se sont combinés pour former les premiers atomes d'hydrogène, rendant l'Univers transparent à la lumière. À cette époque, l'Univers était à environ 3 000 K. Refroidi et décalé vers le rouge par l'expansion, il présente aujourd'hui une température de 2,725 K. Prédit dès 1948 par George Gamow, Ralph Alpher et Robert Herman, il a été découvert par hasard en 1964 par Arno Penzias et Robert Wilson aux Bell Laboratories.