طرح أولبرز (1758–1840) تحديًا آخر أمام فكرة المحرك الكوني لنيوتن، وذلك حين صاغ في عام 1826 مفارقة لا تزال تحمل اسمه، رغم أن آخرين قبله طرحوها، من بينهم كبلر. تظهر «مفارقة أولبرز» عند تدبر سبب كون السماء مظلمة في الليل. ففي الكون اللانهائي الثابت الأبدي من المفترض أن يوجد أحد النجوم على امتداد كل خط من خطوط البصر أينما نظرنا، تماما مثلما يجد خط البصر الممتد عبر غابة لا نهائية شجرةً في نهاية المطاف. يستتبع هذا أن سماء الليل ينبغي أن تكون ساطعة مثل سطوع أي نجم عادي. والظلمة المدركة بالليل تكفي لإثبات أن الكون يستحيل أن يكون لا نهائيًا وأبديًا. لكن سواء أكان الكون لا نهائيًا أم لا، فقد زاد على نحو مطّرد الجزء القابل للتفسير المنطقي منه. بالنسبة إلى أرسطو، كان مدار القمر (400) ألف كيلومتر فقط) يمثل حدًّا أساسيا، لا يستطيع العقل البشري تجاوزه أما بالنسبة إلى كوبرنيكوس وكبلر، فتمثل هذا الحد في حافة المجموعة الشمسية (على بعد مليارات الكيلومترات). وبحلول القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، اقترح أن مجرة درب التبانة، تلك المنظومة التي نعرف الآن أنها أكبر من المجموعة الشمسية بمليارات المرات، هي الكون بأسره. لكن كانت هناك فكرة أخرى منافسة لهذه الفكرة، وهي أن «السُّدُم» الحلزونية الغريبة التي اكتشفت متناثرة في أرجاء السماء إنما هي أجرام مشابهة لمجرة درب التبانة، ولكننا ننظر إليها من مسافة بعيدة. ولاحقًا صار يطلق على هذه الأجرام اسم «مجرات». وقد نشب «جدال عظيم» في السنوات الأولى من القرن العشرين بين أنصار هاتين الفكرتين المتناقضتين. لكن بفضل إدوين هابل (1889–1953) صار معروفًا الآن أن مجرة درب التبانة هي بالفعل محض مجرة واحدة من مئات المليارات من المجرات الشبيهة بها.

بدأت الحقبة الحديثة لعلم الكونيات في السنوات الأولى من القرن العشرين، حين حدثت عملية إعادة صياغة كاملة لقوانين الطبيعة. طرح ألبرت أينشتاين (1879–1955) مبدأ النسبية في عام 1905، وبذا قوَّض مفهوم نيوتن عن المكان والزمن. ولاحقًا، حلت نظرية النسبية العامة التي طرحها أيضًا محل قانون الجذب العام لنيوتن. وقد صاغت الدراسات الكونية العظيمة الأولى القائمة على مفهوم النسبية على يد كل من فريدمان (1888–1925) ولومتر (1894–1966) ودي سيتر (1872–1934) لغةً جديدة معقدة من أجل التوصيف الرياضي للكون. وتلعب نظرية أينشتاين دورًا مفاهيميًّا كبيرًا للغاية في علم الكونيات الحديث.

لكن رغم أن هذه التطورات المفاهيمية قد مهدت الطريق، فإن الخطوات النهائية نحو الحقبة الحديثة لعلم الكونيات لم يضطلع بها الفيزيائيون النظريون، بل علماء الفلك القائمون على عمليات الرصد. ففي عام 1929، نشر إدوين هابل – الذي كان قد أوضح حديثًا أن الكون يحتوي على العديد من المجرات الشبيهة بمجرة درب التبانة – المشاهدات التي أدَّت بنا إلى الاعتقاد بأن الكون آخِذٌ في التمدد. وأخيرًا، في عام 1965، اكتشف بنزياس وويلسون إشعاع الخلفية الميكروي الكوني الذي يُعَدُّ دليلًا دامغا (أو شبه دامغ، حسبما قد تراه) على أن الكون بدأ بكُرَة نارية بدائية؛ أي «الانفجار العظيم».