Avec la découverte par Isaac Newton de la théorie de la gravitation universelle, il devient possible d'étudier, par les outils du calcul mathématique, l'évolution temporelle des positions relatives des objets célestes. La théorie permet aussi d'apporter une réponse (partielle au début) opposant les géocentristes et les héliocentristes : elle explique en quoi c'est le Soleil, plus massif, qui est presque immobile au centre du système solaire, et non la Terre. La première preuve du mouvement de la Terre autour du Soleil attendra cependant le XVIIIe siècle et James Bradley, qui met en évidence l'aberration des étoiles.
À cette époque, les seuls objets identifiés comme tels sont encore uniquement ceux du système solaire. La nature des étoiles reste sujette à débat, même si se forge peu à peu l'idée que les étoiles sont des objets semblables au Soleil, mais situés considérablement plus loin, ce qui explique leur éclat bien plus faible. L'héliocentrisme sera dépassé au XVIIIe siècle avec la proposition de Thomas Wright qui imagine que le Soleil n'est qu'une étoile parmi d'autres au sein d'une galaxie, la Voie lactée.
Les théories cosmologiques de l'époque se limitent donc à la création du système solaire. Plus tard, au XIXe siècle, avec la découverte des distances des étoiles et de leur répartition dans la Voie lactée, c'est aussi la dynamique, la structure et l'évolution de la Galaxie qui entre dans le champ de la cosmologie.