Os modelos cosmológicos atuais do início do universo são baseados na teoria do Big Bang. Cerca de 300 mil anos depois deste evento, átomos de hidrogénio e hélio começaram a formar-se, num evento chamado “recombinação”. Quase todo o hidrogénio era neutro (não ionizado) e rapidamente absorveu luz, e não se tinha formado ainda nenhuma estrela.
Como resultado, este período foi chamado de “Eras Escuras”. Foi a partir de flutuações de densidade nesta matéria primordial que as estruturas maiores começaram a aparecer. Seguidamente, massas de matéria começaram a condensar-se dentro de halos de matéria escura fria. Estas estruturas primordiais acabaram por se transformar nas galáxias que vemos hoje.
O processo detalhado pelo qual esta formação inicial de galáxias ocorreu é uma importante questão em aberto na astronomia. As teorias podem ser divididas em duas categorias: de cima para baixo e de baixo para cima.
Nas teorias de cima para baixo (como o modelo de Eggen-Lynden-Bell-Sandage [ELS]), as protogaláxias formam-se num colapso simultâneo de larga escala com uma duração de cerca de cem milhões de anos.
Nas teorias de baixo para cima (como o modelo de Searle-Zinn [SZ]), estruturas pequenas como os aglomerados globulares formam-se primeiro, e depois forma-se uma galáxia maior.
Uma vez que as protogaláxias começaram a formar-se e contrair, as primeiras estrelas do halo apareceram dentro delas. Estas eram compostas quase inteiramente por hidrogénio e hélio, e podem ter sido massivas. Se isto aconteceu, essas estrelas enormes consumiram rapidamente as suas reservas de combustível tornando-se supernovas, libertando elementos pesados no meio interestelar. Esta primeira geração de estrelas reionizou o hidrogénio neutro circundante, criando bolhas de espaço em expansão, através das quais a luz poderia viajar facilmente.
Um bilião de anos após o início da formação de uma galáxia, as estruturas chave começam a aparecer. Formam-se aglomerados globulares, o buraco negro supermaciço central e um bolbo galáctico de estrelas pobres em metal. A criação de um buraco negro supermaciço parece deter um papel relevante de regular ativamente o crescimento de galáxias, por limitar a quantidade total de matéria acrescentada. Durante este período inicial, as galáxias passam por um grande aumento de formação de estrelas.
Durante os dois biliões de anos seguintes, a matéria acumulada dispõe-se num disco galáctico. Uma galáxia continua a absorver matéria proveniente de nuvens de alta velocidade e de galáxias anãs ao longo da sua vida, (principalmente hidrogénio e hélio). O ciclo de nascimento e morte estelar aumenta lentamente a abundância de elementos pesados, permitindo então a formação de planetas.
A evolução das galáxias pode ser afetada significativamente por interações e colisões. Junções de galáxias foram comuns na época inicial, e a maioria das galáxias tinha uma morfologia peculiar. Tendo em vista as distâncias entre as estrelas, a grande maioria dos sistemas estelares em galáxias que colidem não é afetada. Entretanto, a remoção gravitacional do gás e poeira interestelares que formam os braços espirais produz uma longa cadeia de estrelas conhecida como caudas de maré.
Como exemplo de tais interações, a Via Láctea e a vizinha Galáxia de Andrómeda aproximam-se uma em direção à outra a cerca de 130 km/s e – dependendo dos movimentos laterais – as duas podem vir a colidir dentro de cinco a seis biliões de anos. Embora a Via Láctea nunca tenha colidido com uma galáxia tão grande quanto a de Andrómeda, há crescentes evidências de ela ter colidido no passado com galáxias anãs.
Interações de grande escala como esta são raras. À medida que o tempo passa, as junções de sistemas do mesmo tormam-se menos comuns. A maioria das galáxias brilhantes permaneceu basicamente inalterada nos últimos biliões de anos, e a taxa global de formação de estrelas provavelmente teve seu pico há aproximadamente dez biliões de anos.
Atualmente, a maior parte da formação de estrelas ocorre em galáxias menores, onde o gás frio não está esgotado. Galáxias espirais, como a Via Láctea, só produzem novas gerações de estrelas enquanto têm nuvens moleculares densas de hidrogénio interestelar nos seus braços em espiral. As galáxias elípticas já estão desprovidas deste gás, portanto não formam novas estrelas. O abastecimento deste material necessário para a formação de estrelas é finito; quando as estrelas tiverem convertido as reservas disponíveis de hidrogénio em elementos mais pesados, a formação de novas estrelas chegará ao fim.
Acredita-se que a atual era de formação de estrelas vai continuar por mais cerca de cem biliões de anos, e então a “era estelar” se concluirá depois de cerca de dez triliões a cem triliões de anos, quando as pequenas anãs vermelhas, começarem a morrer. No final da era estelar, as galáxias serão compostas por objetos compactos: anãs marrons, anãs brancas que estão em arrefecimento ou frias (“anãs negras”), estrelas de neutrões e buracos negros. Por fim, como resultado do relaxamento gravitacional, todas as estrelas cairão nos buracos negros supermaciços ou serão arremessadas para o espaço intergaláctico, como resultado de colisões.