La scoperta dell'espansione dell'universo, messa in evidenza per la prima volta dalle osservazioni dell'astronomo americano Edwin Hubble nel 1929, e i modelli basati sulla relatività generale di Einstein, hanno portato all'elaborazione della teoria del Big Bang, che ha cominciato ad affermarsi verso la metà degli anni 60, e le cui predizioni, nel corso degli ultimi decenni, sono sempre risultate in pieno accordo con le osservazioni. Pertanto la teoria del Big Bang può essere considerata una fra le maggiori conquiste scientifiche del XX secolo.
Circa 14 miliardi di anni fa l'universo doveva essere molto più denso, con tutta la materia e l'energia che noi oggi osserviamo concentrata in uno spazio straordinariamente piccolo (enormemente inferiore anche alle dimensioni di un nucleo atomico). Non si deve pensare al Big Bang come ad un'esplosione nel senso comune del termine, in cui la materia e l'energia sono scagliate in ogni direzione da un punto situato in uno spazio vuoto preesistente. Il Big Bang è accaduto ovunque, e spazio e tempo sono cominciati con esso. La teoria del Big Bang consente poi di descrivere la catena di eventi succedutisi a quei primi istanti. Frazioni infinitesime di secondo dopo l'esplosione, l'energia incomincia a condensarsi in particelle sempre più complesse, fino a quando una serie di reazioni nucleari porta alla formazione, dopo i primi tre minuti, dei nuclei atomici più semplici, in particolare l'idrogeno e l'elio. Durante i primi 380.000 anni l'universo rimane immerso in una nube di radiazione e di gas ionizzato: una specie di nebbia nella quale la luce non può propagarsi liberamente e che inizia a diradarsi solo quando la temperatura scende da alcune decine di miliardi di gradi a circa 3.000 gradi. A questo punto gli elettroni sono catturati dai nuclei, formando un gas di atomi neutri di idrogeno e, in minima parte, di elio. A loro volta, gli atomi iniziano ad aggregarsi (insieme a particelle di materia oscura la cui natura c'è ancora ignota) in gigantesche nubi da cui si formano, dopo alcune centinaia di milioni di anni, le prime galassie e le prime stelle.