1. 直接觀測系外行星
上世紀90年代初，人類發現了最早一批系外行星。但是，這些系外行星並不是直接觀測到的，而是探測到的。2000年，天文學家通過觀測恆星的光線變化探測到一大批系外行星。2008年，天文學家宣稱，他們分別利用「哈勃」太空望遠鏡和「凱克」天文望遠鏡觀測到了圍繞遙遠恆星運轉的系外行星。兩大天文望遠鏡分別拍下了這些系外星球的照片。
「凱克」天文望遠鏡所觀測到的是一顆名為「HR8799」的恆星周圍的三顆行星。「HR8799」距離地球大約150光年。「哈勃」太空望遠鏡拍攝到了一顆大質量系外行星，該行星正圍繞「北落師門」恆星運轉，距離地球大約25光年。
2. 證實火星存在水
2008年，美國宇航局「鳳凰」號火星探測器登陸火星，證實火星上存在水並找到了有機化合物的跡象。
八年前，美國火星全球探測器在火星表面發現了只有流動的水體才會形成的水溝。再近些時候，「火星遠程漫遊者」號發現了可能證明火星古代存在水的礦物質。但是，關於現在存在水的證據一直未能找到。「鳳凰」號登陸火星北極後，實施了挖掘採樣和分析研究任務。在一次挖掘中，「鳳凰」號支架上似乎粘上了幾個白色斑點。經科學家對比分析後證實，這些白色斑點就是水冰。這一發現不僅僅證實了火星上存在水，而且再一次激起了人們在火星尋找由這些水所支持的微生命的希望。
3. 檢測到暗物質
2006年夏天，天文學家聲稱他們已經找到了暗物質存在的直接證據，儘管他們仍然解釋不清暗物質究竟為何物。這一發現有助於人類更好地理解宇宙。
這一證據來自子彈星簇中兩大星系的正面碰撞。暗物質理論是來自這樣一個事實：星系中可見物質只占星系的五分之一，這些可見物質用來產生重力以保證星系整體的完整性。但是，餘下的部分呢？那些望遠鏡所看不到的物質就是暗物質。通過對子彈星簇的觀測，雖然仍然無法解釋何為暗物質，但是這種觀測可以幫助科學家理解暗物質粒子的行為方式。
21世紀初科學最大的謎是暗物質和暗能量。暗物質存在於已知的物質之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什麼，它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。
4. 鬩神星的發現和冥王星的降級
2005年1月，邁克-布朗等科學家在美國帕洛瑪天文台觀測到「136199 Eris」，即鬩神星。鬩神星體積比冥王星大27%。因此，鬩神星擠掉了冥王星，成為了圍繞太陽公轉的第九大天體。
由於鬩神星體積比冥王星大，它曾經被考慮成為太陽系的第十行星。但由於最近已發現多個與冥王星大小相近的天體，國際天文學聯合會於2006年認為，應該重新考慮行星的定義。於是，鬩神星最終與冥王星一起被劃為矮行星。鬩神星獲得的名稱是「136199 Eris」，而冥王星的名稱為「134340 Pluto」。
5. 發現暗能量
2002年，「哈勃」太空望遠鏡升級後安裝了一個新的設備，即「巡天先進相機」。「巡天先進相機」揭示了暗能量的存在。
「巡天先進相機」本來是用來幫助科學家研究為什麼「Ia」型超新星會比預想的要暗淡。「哈勃」在對超新星觀測過程中發現，這些超新星事實上並不暗淡，只不過是因為這些恆星是屬於不同類型的恆星。對此，唯一的解釋就是宇宙膨脹的速度是意想不到的快，這種高速膨脹使得這些恆星看起來很暗淡。「哈勃」的發現讓人們更容易理解究竟何為暗能量。暗能量就是一種不可見的力，它與地心吸力恰恰相反，它只會導致宇宙不斷加速膨脹。暗能量令人感到非常奇怪，以人類已知的核反應為例，反應前後的物質有少量的質量差，這個差異轉化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質的質量全部消失，完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。
6. 首次繪製宇宙大爆炸「回聲」圖
2001年6月，美國宇航局開始利用威爾金森微波各向異性探測器在整個宇宙空間裡繪製宇宙微波背景輻射圖，以尋找宇宙大爆炸的遠古「回聲」。科學界普遍認為，宇宙誕生於距今137億年前的一次大爆炸，作為大爆炸的「餘燼」，微波背景輻射均勻地分布在整個宇宙空間。更精確地觀測宇宙微波背景輻射，對於揭開宇宙形成和演變的奧秘至關重要。
當宇宙剛剛形成時，會釋放出巨大的能量。這些能量被濃縮從而形成我們今天所理解的質量。宇宙大爆炸時所產生的輻射至今仍然存在，但是是以微弱的微波形式存在。通過繪製宇宙微波背景輻射圖，發現其中微小的變化，威爾金森微波各向異性探測器算出了宇宙的準確年齡，並探測出宇宙質量的96%都是由我們所看不到的物質所構成的。
7. 銀河系發現超大質量黑洞
此前，天文學家一直迷惑不解的是，在距離地球26000光年的銀河系中心存在一個超級怪物。2008年，天文學家根據圍繞一個不可見點運轉的恆星的行為特點進行研究後確認，這個超級怪物就是一個超大質量黑洞，名為「Sagittarius A*」。
早在1995年，天文學家們就已經注意到，一顆名為「S2」的孤獨恆星正在沿著一條非常快速的軌道圍繞一個不可見點運轉。多少年來，天文學家一直在跟蹤研究這顆恆星。2008年，當「S2」完成一次長達16年的公轉運行後，天文學家終於明確了它所圍繞的那個黑洞。「Sagittarius A*」黑洞質量大約為太陽的430萬倍。銀河系中心存在超大質量黑洞，這一發現由此也推導出大多數星系中心都存在一個超大質量黑洞的理論。
8. 彗星上發現有機化學物質
2004年，美國宇航局「星塵」任務開始追趕「維爾特2號」彗星，以明確該彗星的冰物質中是否含有生命組成物質。此前，科學家在地球上發現的隕石中發現了來自太空的有機化學物質。2009年8月，美國宇航局宣布他們已經在「星塵」任務所搜集的標本中發現了胺基酸。這一發現證明，系外行星的大氣層中也有可能存在有機化學物質。
「星塵」任務所引起的一系列發現改變了我們對地球生命形成的看法，同時也在明確地提示我們，地球生命並不是太空中唯一生命，宇宙中到處都可能會產生有機化學物質。
9. 證實月球存在水
2009年9月，印度「月球1號」探測器證實月球上存在水。儘管現在的月球表面比地球上的沙漠還要乾燥，但是這一發現表明月球表面可以產生水和羥基分子。也許那裡連綠洲都不是，但未來月球殖民者卻可以在月球表面提取並淨化出飲用水來，甚至還可以用來種植糧食作物、可以生產氧氣和燃料。此外，未來月球殖民者還可以前往月球兩極的隕坑中採集水源。
2009年10月9日，美國宇航局實施了LCROSS撞月計劃，在月球的一個隕坑中撞出了一個100英尺(約30米)寬的大洞。美國人也發現了水的存在。撞擊的火箭激起了巨大的羽狀塵埃，科學家們利用月球偵測軌道器和地面望遠鏡對這些物質進行了觀測和分析。他們發現，塵埃物中包含的月球水冰至少有25加侖。
10. 探測土衛六
2005年1月14日，歐洲航天局「惠更斯」號探測器成功登陸土衛六表面，開始對土衛六進行探測。它所發回的照片向人們展示了土衛六神秘的表面，使人類第一次真正認識這顆遙遠的星球。
在此次任務之前，人們只知道它是土星最大的衛星，對其他信息卻一無所知，科學家們甚至都不能確定「惠更斯」號究竟將會登陸到什麼樣的表面。由於土衛六擁有厚厚的大氣層，科學家們曾經還認為它應該是一顆年輕的地球。「惠更斯」號探測器和「卡西尼」號飛船的觀測數據告訴我們，土衛六和地球確實有許多相似之處，比如兩者表面都有沙丘和湖泊。這兩個特點引起科學家們的猜測，土衛六或許存在支持生命的有機分子。