Verso la fine del XVIII secolo l'astronomo William Herschel costruì il più grande telescopio riflettore dell'epoca, dando inizio a una serie di precise e sistematiche esplorazioni del cielo. Scoprì il pianeta Urano, molti satelliti, numerose stelle doppie e osservò vari ammassi e nebulose. Dai conteggi di stelle che effettuò in differenti regioni del cielo dedusse che esse erano distribuite in una struttura dalla forma schiacciata a disco, nella quale il Sole occupava una posizione eccentrica. Guardando nella direzione del disco è possibile vedere in cielo una fascia di stelle di debole luminosità, la Via Lattea, che attraversa la volta celeste. Nelle altre direzioni le stelle sono meno addensate.
Le osservazioni moderne confermano l'ipotesi di Herschel e collocano il Sole a circa due terzi del raggio galattico. Il nome Via Lattea indica l'intero sistema di stelle legate da forze gravitazionali e orbitanti attorno al centro della nostra galassia. Per conoscere la struttura della Via Lattea è fondamentale poter misurare le distanze delle stelle. Il metodo della parallasse è applicabile solo in pochi casi e quindi sono state messe a punto tecniche alternative. In particolare, esiste una classe di stelle, note come variabili Cefeidi, la cui luminosità varia regolarmente con un periodo che dipende dalla luminosità intrinseca; confrontando la brillantezza di tali stelle con quella intrinseca è allora possibile risalire alla loro distanza. La scoperta della relazione tra periodo e luminosità delle Cefeidi, a opera di Henrietta Swan Leavitt, permise a Harlow Shapley di determinare le dimensioni approssimative della Via Lattea: l'intero sistema ha diametro di circa 100.000 anni luce.
Nella Via Lattea si trovano circa 100 miliardi di stelle, che orbitano attorno a un centro comune. Il sistema solare, che si trova in un braccio esterno, a circa 30.000 anni luce dal centro, viaggia a una velocità di circa 210 km/s e completa un'intera rivoluzione in circa 250 milioni di anni.
Il sistema contiene anche una grande quantità di materia interstellare, costituita da polveri e gas, che assorbe la luce emessa dalle stelle distanti; come conseguenza di ciò un osservatore posto sulla Terra non può vedere in dettaglio le regioni più lontane della galassia. Tra il 1931 e il 1932 l'ingegnere elettronico statunitense Karl G. Jansky scoprì che la Via Lattea emette onde radio, dando inizio a un nuovo campo di studi astronomici. Le successive ricerche hanno attribuito questa emissione in parte al mezzo interstellare e in parte a sorgenti discrete, dette in origine radio stelle. Le onde radio emesse dalle regioni più remote della Via Lattea possono attraversare il mezzo interstellare, che è opaco alla luce visibile, e quindi rendono possibile l'osservazione di zone nascoste agli strumenti ottici. Tali osservazioni hanno rivelato che la Via Lattea è una galassia a spirale con un nucleo centrale di stelle vecchie, un disco esterno composto sia da stelle calde e giovani sia da stelle vecchie che formano i bracci, e da un grande alone esterno di stelle deboli.
Il nucleo della Via Lattea è stato per lungo tempo un mistero, nascosto com'è dalle nubi oscure della polvere interstellare. Gli astronomi hanno cominciato a raccogliere le prime immagini dettagliate della regione nel 1983, quando venne lanciato il satellite IRAS (Infrared Astronomy Satellite, cioè Satellite per astronomia infrarossa). I rivelatori a bordo del satellite hanno registrato con una definizione fino ad allora mai raggiunta la posizione e la forma della miriade di sorgenti infrarosse che occupano il cuore della galassia. Tra queste vi è un oggetto molto massiccio, diverso da una stella e troppo compatto per essere un ammasso, che potrebbe forse essere un buco nero.