Kosmoloģija apskata Visuma uzbūvi no mūsdienu fizikas viedokļa – sadala Visumu sastāvdaļās, pēta tā rašanos, evolūciju, lielmēroga struktūru, dinamiku, fizikālās likumsakarības, kā arī laika un telpas īpašības. Visuma īpašības ir cieši saistītas un atkarīgas no subatomārās mikropasaules uzbūves. Viens no galvenajiem kosmoloģijas mērķiem ir izprast un izskaidrot pasaules eksistences būtību.

Kosmoloģijai ir tieša ietekme uz cilvēka pašapziņu, jo tā palīdz cilvēkam saprast savu vietu pasaulē. Agrīnā Visuma novērojumi ir būtiski fizikas likumu un fizikālo procesu izpratnei, jo agrīnajā Visumā pastāvēja unikāli fizikālie apstākļi, kas pēc tam neatkārtojās. Vairāki novērojumi (piemēram, reliktais starojums, lielmēroga struktūras spektrs) ir palīdzējuši izprast dabā notiekošos procesus un tiek iekļauti mūsdienu fizikālajos modeļos.

Kosmoloģija ir astronomijas apakšnozare. Tā cieši saistīta ar bioloģiju, matemātiku, fiziku, ķīmiju, filozofiju un citām nozarēm. Kosmoloģijas pētījumus veic astronomi, fiziķi un filozofi. Zinātniekus, kas specializējušies kosmoloģisko problēmu izpētē, sauc par kosmologiem. Izšķir novērojumu kosmoloģiju (reālo datu iegūšanu) un teorētisko kosmoloģiju (analītisko un skaitlisko modelēšanu). Visuma rašanos pēta kosmogonija. Kosmoloģija ir jauna un strauji progresējoša zinātnes nozare. 

Mūsdienu teorētiskā izpratne par Visumu ir balstīta uz Einšteina relativitātes teorijas, klasiskās mehānikas, termodinamikas, elementārdaļiņu fizikas un kvantu fizikas sasniegumiem. Kosmoloģijas pētījumu pamatā ir kosmoloģijas modeļi, kas saistīti ar fizikas teorētiskajiem pamatiem – gravitācijas, elektromagnētiskā lauka, kvantu un citām teorijām.

Kosmoloģijas standarta modelis ir balstīts uz to, ka Visums, kurā mūsdienās dominē tumšā enerģija (dark energy, apzīmē ar grieķu burtu Lambda (Λ)) un aukstā tumšā matērija (cold dark matter, CDM), radās pirms 13,79 miljardiem gadu lielas enerģijas izdales procesā, ko sauc par Lielo Sprādzienu (Big Bang). Apvienojot abreviatūras, to sauc arī par Lambda-CDM modeli. Šis kosmoloģijas modelis ietver vairākas ēras un fāzes, kas sākas ar nulles punktu, kam seko Planka ēra, tad īslaicīga inflācijas fāze, tad kvarku ēra, hadronu ēra, leptonu ēra, starojuma ēra un visbeidzot – matērijas ēra, kas turpinās arī mūsdienās. Līdz šim ar kosmoloģijas standarta modeļa palīdzību ir labi aprakstīti un prognozēti dažādi Visumā novērojami efekti. Uzkrātie novērojumu dati atbilstoši kosmoloģijas standarta modelim liecina par labu mūžīgam Visuma izplešanās scenārijam, līdz pakāpeniski galaktikas attālināsies viena no otras, zvaigznes izdzisīs un nestabilās elementārdaļiņas sabruks. Taču jebkurā brīdī Visuma izpētē var tikt iegūti kvalitatīvi pilnīgi jauni novērojumu dati, kas liktu mainīt esošo modeli. 

Kosmoloģijas modeļi tiek veidoti, ņemot par pamatu kosmoloģisko principu (cosmological principle), kas postulē, ka visiem novērotājiem Visums attiecīgajā brīdī lielos mērogos ir līdzīgs un fizikas likumi visur vienādi. Dažreiz tiek izmantots arī antropais princips (anthropic principle), kura pamatā ir uzskats, ka cilvēks atrodas ļoti īpašā vietā ļoti īpašā Visumā un ka cilvēces pastāvēšana pati par sevi jau ierobežo iespējamos fizikas likumus un fundamentālo konstanšu vērtības. Vispārīgi antropais princips nav pretrunā kosmoloģiskajam principam. 

Alternatīvās kosmoloģijas teorijas apskata arī modeļus, kuros tiek pieļautas novirzes no kosmoloģiskā principa. Piemēram, pieņemot, ka mēs atrodamies ļoti lielā kosmiskā tukšuma (zemāka vidējā blīvuma) apgabalā, varētu izskaidrot šķietami novēroto Visuma paātrināto izplešanos bez tumšās enerģijas. Pastāv arī citas alternatīvas teorijas: kosmisko stīgu teorija, fundamentālo konstanšu evolūcija un citas. Cits alternatīvs modelis skar tumšās matērijas eksistenci. Neskatoties uz neskaitāmiem mēģinājumiem, tās daba vēl nav zināma. Tas bija viens no iemesliem, kāpēc 1982. gadā Mordehajs Milgroms (מרדכי מילגרום, angļu Mordehai Milgrom) izveidoja modificētās Ņūtona dinamikas (Modified Newtonian Dynamics) modeli kā Einšteina VRT aizvietojumu. Šis modelis postulē, ka pastāv minimāls vielas paātrinājums, kura viena vērtība tiek noteikta no novērojumiem. Vēlāk tika izveidots šī modeļa relatīvistiskais vispārinājums, kas spēj izskaidrot daudzus kosmoloģiskus novērojumus.

Lai izprastu agrīnajā Visumā notiekošos procesus, definētu kosmoloģiskos modeļus un pārbaudītu to prognozes, vispirms tiek novēroti dažādi objekti un procesi: reliktais starojums, barionu akustiskās oscilācijas, pirmās galaktikas un objekti tajās. Tam tiek izmantotas radioviļņu, mikroviļņu, infrasarkanās, optiskās, ultravioletās un rentgenstaru astronomijas metodes.

Tālāk novērotie dati tiek analizēti. Datu analīzes vājā puse ir tas, ka iegūtos datus ietekmē dažādi noviržu avoti, kas bieži vien ir nezināmi. Tāpēc kosmoloģijas pētījumos mēģina palielināt apstrādājamo datu apjomu. Tam tiek veidotas un lietotas augsti automatizētas datu analīzes metodes. Tiek izmantotas arī milzu datorsimulācijas, kurās tiek producēts “datorvisumus”, kas tiek “novērots”, un šie dati tiek apstrādāti tādā pašā veidā kā īstie novērojumi.

Kosmoloģijas pētījumi sevī ietver arī nereālu (mūsu Visumā nepastāvošu) modeļu izpēti, kuru uzdevums ir mēģināt skaidrot pasaules uzbūves principus vai to abstrakcijas. Pieaugot zināšanām, novērojumiem neatbilstošas teorijas tiek noraidītas. Noraidīšanai bieži vien nepieciešama arī šo modeļu detalizēta analīze. Piemēram, 20. gs. sākumā, kad vēl nebija precizēts galaktikas jēdziens, pastāvēja uzskats, ka Visumu veido bezgalīga zvaigžņu pasaule, un valdošais bija statiskā nemainīgā Visuma modelis.

Par modernās fizikālās kosmoloģijas sākumu uzskata Alberta Einšteina (Albert Einstein) vispārīgās relativitātes teorijas (VRT) izveidošanu 1916. gadā. Lai iegūtu statisku VRT vienādojumu atrisinājumu, A. Einšteins papildināja savus vienādojumus ar “kosmoloģisko” konstanti Λ (cosmological constant), kas kompensēja vielas pievilkšanos. Nestacionāros VRT vienādojumu atrisinājumus homogēnam Visumam 1922. gadā atrada Aleksandrs Frīdmans (Александр Александрович Фридман), un šie vienādojumi veido kosmoloģijas standarta modeļa pamatus. Novērojot citas galaktikas, tika atklāta sarkanā nobīde z, t. i., starojošo objektu spektrāllīniju sistemātiskā novirze uz sarkano (lielāka viļņa garuma) pusi, ko Vesto Slaifers (Vesto Slipher) 1912. gadā uztvēra kā kustību prom no novērotāja ar ātrumu v = cz, kur c ir gaismas ātrums. 1927. gadā Žoržs Lemētrs (Georges Henri Joseph Édouard Lemaître) neatkarīgi atrisināja Einšteina vienādojumus homogēnam Visumam un sasaistīja tos ar novēroto galaktiku sarkano nobīdi z, atklājot Habla-Lemētra likumu (Hubble-Lemaître law), kas atbilstoši kosmoloģiskajam principam ir spēkā visā telpā, t. i., v=H₀·l, kur l ir attālums līdz objektam, bet proporcionalitātes koeficients H₀ ir Habla konstante (Hubble constant). Sistemātiski novērojot daudz lielāku galaktiku skaitu, Edvīns Habls (Edwin Powell Hubble) 1929. gadā neatkarīgi ar novērojumiem pamatoja šo pašu secinājumu, ka Visumā pastāv lineāra sakarība – jo lielākā attālumā objekts atrodas, jo lielāks ir tā “attālināšanās ātrums” v. Laika momentu, kas atbilst visu galaktiku iziešanai no viena punkta, Lemētrs sauca par “pirmatnējo atomu”.

20. gs. vidū tika atklāts, ka hēlija daudzumu zvaigznēs nevar izskaidrot ar zvaigžņu kodolsintēzi un ka tā lielākā daļa izveidojās īsi pēc Lielā Sprādziena. Šo kosmoloģisko kodolsintēzes modeli izstrādāja Džordžs Gamovs (krievu Георгий Антонович Гамов, angļu George Gamow), Ralfs Alfers (Ralph Asher Alpher) un Roberts Hermans (Robert Herman) 1948. gadā. Raksturīga Lielā Sprādziena modeļa prognoze bija reliktais starojums. Teorētiski tā temperatūru novērtēja arī Dž. Gamovs, R. Alfers un R. Hermans 20. gs. 40.–50. gados. Reliktā starojuma atklāšana 20. gs. 60. gados un vēlākie tā anizotropijas novērojumi pierādīja Lielā Sprādziena modeli un kosmoloģiskās inflācijas modeli. Novērojumos aizvien labāk tika empīriski pamatots kosmoloģiskais princips, saskaņā ar kuru Visums dažādos attālumos un virzienos no mums ir homogēns un izotrops. Arī novērojot galaktikas, kas izkārtojušās stīgveida un lokšņveida struktūrās apkārt tukšumiem (voids), lielos mērogos visos virzienos tās veido līdzīgu (bet ne gludi vienmērīgu) struktūru. Novērotais Visuma objektu izotropijas fakts ir ļoti spēcīgs arguments par labu lielmēroga homogenitātei un kosmoloģiskā principa pamatotībai. Tika atklāts, ka no vielas eksistences Visumā izriet, ka starp vielu un antivielu ir nelielas atšķirības. Modeli, kas varētu nodrošināt šīs atšķirības, 20. gs. 60. gados izstrādāja Andrejs Saharovs (Андрей Дмитриевич Сахаров).

Tālākie pētījumi tika koncentrēti uz lielmēroga struktūras izveidošanos no sākotnēji gandrīz homogēnā vielas sadalījuma. Liela loma bija pusanalītiskam 1970. gada Jakova Zeļdoviča (Яков Борисович Зельдович) atrisinājumam, kas parādīja, kā viela saspiežas, izveidojot “Zeļdoviča pankūkas”. Tika parādīts arī, ka bez tumšās matērijas (dark matter) ietekmes viela nepaspētu izveidot struktūras tik ātri, kā tas tiek novērots. Tālāko struktūras augšanu ir iespējams izsekot tikai ar skaitliskām metodēm, kas arī tiek darīts kopš 20. gs. 70. gadu vidus aizvien lielākos apjomos. Tumšās matērijas daba nav zināma. 

Lai izskaidrotu reliktā starojuma izotropiju, Aleksejs Starobinskis (Алексей Александрович Старобинский), Alans Guts (Alan Harvey Guth) un Andrejs Linde (Андрей Дмитриевич Линде) 20. gs. 70. gadu beigās un 80. gadu sākumā izveidoja kosmoloģiskās inflācijas teoriju, mākslīgi ievedot atsevišķu fizikālo lauku un atbilstošu elementārdaļiņu – inflatonu. Inflatona daba nav zināma.

Nākamo 25–30 gadu laikā kosmoloģija no kvalitatīvas nozares, kas nespēja prognozēt efektus un kuras novērojumi bieži bija pretrunā viens ar otru, pakāpeniski pārvērtās par kvantitatīvu, precīzu zinātni. Novērojumu kļūda samazinājās no 50–100 % līdz 5–10 % vai pat mazāk. Negaidīti 1998. gadā Ia tipa pārnovu pētījumi parādīja, ka Visums izplešas paātrināti. Dažu gadu laikā šos secinājumus apstiprināja ar citām metodēm. Tas pierādīja, ka Visumā pastāv atgrūšanās spēks, kura cēlonis ir tumšā enerģija, un ka visus tā efektus var aprakstīt ar Einšteina kosmoloģisko konstanti. Tumšās enerģijas daba nav zināma.

21. gs. 20. gados tiek aktīvi pētīta rejonizācijas epoha, kas optiskos un infrasarkanos galaktiku novērojumus tuvina mikroviļņu reliktā starojuma novērojumiem. Tiek atklāti aizvien jauni kosmoloģiskās informācijas avoti (piemēram, barionu akustiskās svārstības), kas prasa liela apjoma novērojumu datu analīzi. Visuma pētniecībā tiek izmantotas jaunas tehnoloģijas, piemēram, dažādu elektromagnētiskā starojuma spektrālo diapazonu teleskopi un detektori, liela datu apjoma analīzes tehniskais nodrošinājums, programmatūra un citi.

Mūsdienās kosmoloģijas standarta modelis līdz šim ir labi aprakstījis savākto datu daudzumu, bet kosmoloģijas pētījumi notiek ļoti aktīvi. Ir daudzi fundamentāli novērojumi, kurus mūsdienu fizikas teorijas nevar izskaidrot. No otras puses, novērojamās sistēmas (galaktikas, zvaigznes) atrodas daudzu, ne vienmēr zināmu vai saprastu, faktoru ietekmē un novērojumu apstrāde ir ārkārtīgi komplicēta.

Viens no jautājumiem skar kosmoloģiskā principa pielietojamības robežas. Aprēķini liecina, ka Visumam jākļūst homogēnam mērogos, kas lielāki par 370 Mpc; tā ir teorētiskā homogenitātes robeža. 20. gs. sākumā tika atklātas vairākas reālas vai šķietamas lielmēroga struktūras, kā, piemēram, Slouna Lielā siena (Sloan Great Wall), kas veidota no galaktikām 423 Mpc garumā, un Milzīga lielā kvazāru grupa (Huge Large Quasar Group), kuras garums tiek novērtēts 1,24 Gpc. Ja šīs struktūras ir fizikāli reālas, tad to izmēri vairākkārt pārsniedz teorētisko homogenitātes robežu. Tas nozīmē, ka nākotnē iespējama mūsu Visuma priekšstatu maiņa vai modifikācija, piemēram, pieļaujot novirzes no kosmoloģiskā principa.

Vadošās kosmoloģijas pētniecības iestādes Eiropā: Maksa Planka Astrofizikas institūts (Max-Planck-Institut für Astrophysik), Vācijā, pētījumu virzieni: skaitliskā astrofizika, galaktiku veidošanās un evolūcija, augsto enerģiju astrofizika, fizikālā kosmoloģija, zvaigžņu fizika; Kavli fonda Kosmoloģijas institūts Kembridžā (Kavli Institute for Cosmology, Cambridge), Lielbritānijā, pētījumu virzieni: reliktais starojums, lielmēroga struktūra, kosmiskā rejonizācija, galaktiku un supermasīvo melno caurumu izveide un evolūcija, starpgalaktiku vide, gravitācijas viļņi. Kosmoloģijas un gravitācijas institūts (Institute of Cosmology and Gravitation), Lielbritānijā, pētījumu virzieni: agrīnais Visums, tumšā enerģija, lielmērogu struktūra, gravitācijas lēcošana, paātrinātā izplešanās, tranzientie avoti, galaktiku evolūcija, gravitācijas viļņi, zvaigžņu populāciju modelēšana, kosmoloģiskie gravitācijas teoriju testi. 

Vadošās kosmoloģijas pētniecības iestādes Amerikā un Āzijā: Kavli fonda Daļiņu astrofizikas un kosmoloģijas institūts (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology), Amerikas Savienotās Valstis (ASV), pētījumu virzieni: melnie caurumi un citi kompaktie objekti, kosmiskās struktūras izveide un evolūcija, tumšā matērija, tumšā enerģija, agrīnais Visums, daļiņu paātrināšanās kosmosā, citplanētas. Kavli fonda Kosmoloģiskās fizikas institūts (Kavli Institute for Cosmological Physics), ASV, pētījumu virzieni: reliktais starojums, tumšā enerģija, tumšā matērija, multimetožu astrofizika, daļiņu astrofizika, struktūras izveide, apskatu zinātne, Visuma izplēšanās; Kanādas Teorētiskās astrofizikas institūts (Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, L'institut canadien d'astrophysique théorique), Kanādā, pētījumu virzieni: agrīnais Visums, lielmēroga struktūra, reliktais starojums, galaktikas, starpzvaigžņu vide, melnie caurumi, neitronu zvaigznes un baltie punduri, planētu sistēmas; Pekinas universitātes Kavli fonda Astronomijas un astrofizikas institūts (北京大学科维理天文与天体物理研究所), Ķīnā, pētījumu virzieni: novērojumu kosmoloģija, galaktiku izveide un evolūcija, starpzvaigžņu vide, zvaigžņu izveide un planētas, gravitācijas fizika un augstas enerģiju parādības, skaitliskā astrofizika.

Nozīmīgākie kosmoloģijas periodiskie izdevumi: Journal of Cosmology (kopš 2009. gada, Cosmology Science Publisher); Astronomy and Astrophysics (kopš 1969. gada, EDP Sciences); Astronomical Journal (kopš 1849. gada, IOP Publishing); Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (kopš 2003. gada, IOP Publishing).

Ievērojamākie kosmologi: Frics Cvikijs (Fritz Zwicky) – tumšās matērijas proponents, secināja par tumšās matērijas nepieciešamību no galaktiku kustības ātrumiem galaktiku kopās; Roberts Dike (Robert Dicke) – veica reliktā starojuma novērojumus un vadīja datu analīzi, saistīja gravitācijas konstanti ar Visuma vecumu, izmantojot antropo principu, izveidoja alternatīvu gravitācijas teoriju (Brenza-Dikes teoriju); Jāns Einasto (Jaan Einasto) – viens no Visuma lielmēroga struktūru atklājējiem, tumšās matērijas proponents. Stīvens Hokings (Steven Hawking) – pētīja melnos caurumus, ieskaitot hipotētiskos pirmatnējos melnos caurumus, un to iztvaikošanu. Vera Rubinа (Vera Rubin) – pētīja galaktiku rotācijas līknes, parādot tolaik eksistējošo modeļu (bez tumšās matērijas) neatbilstību novērojumiem. Rašids Sjuņajevs (Рашид Алиевич Сюняев) – teorētiski pēta relikto starojumu, kā arī to maiņu pēc izstarošanas rekombinācijas epohā, kā arī piedalās kosmisko teleskopu palaišanā un datu analīzē. Nīls Turoks (Neil Turok) saistīja reliktā starojuma temperatūras un polarizācijas signālus, izveidoja alternatīvu ciklisku Visuma modeli.