ในยุคเรอเนซองส์ นิโคเลาส์ โคเปอร์นิคัส ได้นำเสนอแนวคิดแบบจำลองดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ซึ่งถูกต่อต้านอย่างมากจากศาสนจักร ทว่าได้รับการยืนยันรับรองจากงานศึกษาของกาลิเลโอ กาลิเลอี และ โยฮันเนส เคปเลอร์ โดยที่กาลิเลโอได้ประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์หักเหแสงแบบใหม่ขึ้นในปี ค.ศ. 1609 ทำให้สามารถเฝ้าสังเกตดวงดาวและนำผลจากการสังเกตมาช่วยยืนยันแนวคิดนี้

เคปเลอร์ได้คิดค้นระบบแบบใหม่ขึ้นโดยปรับปรุงจากแบบจำลองเดิมของโคเปอร์นิคัส ทำให้รายละเอียดการโคจรต่าง ๆ ของดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์ที่ศูนย์กลางสมบูรณ์ถูกต้องมากยิ่งขึ้น แต่เคปเลอร์ก็ไม่ประสบความสำเร็จในการนำเสนอทฤษฎีนี้เนื่องจากกฎหมายในยุคสมัยนั้น จนกระทั่งต่อมาถึงยุคสมัยของเซอร์ ไอแซค นิวตัน ผู้คิดค้นหลักกลศาสตร์ท้องฟ้าและกฎแรงโน้มถ่วงซึ่งสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ได้อย่างสมบูรณ์ นิวตันยังได้คิดค้นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงขึ้นด้วย

การค้นพบใหม่ ๆ เกิดขึ้นเรื่อย ๆ พร้อมไปกับการพัฒนาขนาดและคุณภาพของกล้องโทรทรรศน์ที่ดียิ่งขึ้น มีการจัดทำรายชื่อดาวอย่างละเอียดเป็นครั้งแรกโดย ลาซายล์ ต่อมานักดาราศาสตร์ชื่อวิลเลียม เฮอร์เชล ได้จัดทำรายการโดยละเอียดของเนบิวลาและกระจุกดาว ค.ศ. 1781 มีการค้นพบดาวยูเรนัส ซึ่งเป็นการค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่เป็นครั้งแรก ค.ศ. 1838 มีการประกาศระยะทางระหว่างดาวเป็นครั้งแรกโดยฟรีดดริค เบสเซล หลังจากตรวจพบพารัลแลกซ์ของดาว 61 Cygni

ระหว่างคริสต์ศตวรรษที่ 19 ออยเลอร์ คลาเราต์ และดาเลมเบิร์ต ได้คิดค้นคณิตศาสตร์เกี่ยวกับปัญหาสามวัตถุ (three-body problem หรือ n-body problem) ทำให้การประมาณการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์และดาวเคราะห์สามารถทำได้แม่นยำขึ้น งานชิ้นนี้ได้รับการปรับปรุงต่อมาโดย ลากรองจ์ และ ลาปลาส ทำให้สามารถประเมินมวลของดาวเคราะห์และดวงจันทร์ได้

การค้นพบสำคัญทางดาราศาสตร์ประสบความสำเร็จมากขึ้นเมื่อมีเทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่น การถ่ายภาพ และสเปกโตรสโคป เราทราบว่าดวงดาวต่าง ๆ ที่แท้เป็นดาวฤกษ์ที่มีลักษณะคล้ายคลึงกับดวงอาทิตย์ของเรานั่นเอง แต่มีอุณหภูมิ มวล และขนาดที่แตกต่างกันไป[10]

การค้นพบว่า ดาราจักรของเราหรือดาราจักรทางช้างเผือกนี้ เป็นกลุ่มของดาวฤกษ์ที่รวมตัวอยู่ด้วยกัน เพิ่งเกิดขึ้นในคริสต์ศตวรรษที่ 20 นี้เอง พร้อมกับการค้นพบการมีอยู่ของดาราจักรอื่น ๆ ต่อมาจึงมีการค้นพบว่า เอกภพกำลังขยายตัว โดยดาราจักรต่าง ๆ กำลังเคลื่อนที่ห่างออกจากเรา การศึกษาดาราศาสตร์ยุคใหม่ยังค้นพบวัตถุท้องฟ้าใหม่ ๆ อีกหลายชนิด เช่น เควซาร์ พัลซาร์ เบลซาร์และดาราจักรวิทยุ ผลจากการค้นพบเหล่านี้นำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีทางฟิสิกส์เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ของวัตถุเหล่านี้เปรียบเทียบกับวัตถุประหลาดอื่น ๆ เช่น หลุมดำ และดาวนิวตรอน ศาสตร์ทางด้านฟิสิกส์จักรวาลวิทยามีความก้าวหน้าอย่างมากตลอดคริสต์ศตวรรษที่ 20 แบบจำลองบิกแบงได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานต่าง ๆ ที่ค้นพบโดยนักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ เช่น การแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล กฎของฮับเบิล และการที่มีธาตุต่าง ๆ มากมายอย่างไม่คาดคิดในจักรวาลภายนอก