大爆炸理论认为我们生活在一个不断膨胀的宇宙中，这个宇宙大约有140亿年的历史，在宇宙诞生的最初时刻，宇宙中的所有物质都从一个被称为奇点的无限密度点爆发出来。这种物质(亚原子粒子)是在宇宙形成的最初几微秒内形成的，当它向外膨胀时，需要数十万年的时间才能聚合。
这些亚原子粒子形成了质子，这些质子由于引力而结合在一起形成简单的元素，最终形成了恒星、星系、小行星、星云、卫星、树木、河流以及宇宙中的所有其他物质。
1964年，威尔逊和彭齐亚斯两位射电天文学家意外发现了一种各向同性的辐射信号。皮布尔斯等人很快意识到，这个信号就是他们此前所预言的宇宙微波背景辐射。发现宇宙微波背景辐射的两位天文学家在1978年获得了诺贝尔物理学奖，而皮布尔斯也终于在2019年获得了诺贝尔物理学奖。
通过天文学观测来看，至少有两种天文现象可以印证宇宙大爆炸学说，分别是天体的红移和宇宙微波背景辐射。
由于如今的宇宙仍然处于膨胀过程中，因此距离越远的天体，远离的速度越快，而这样的情况体现在光谱上将会出现红移现象，实际观测也发现宇宙中距离越远的天体，其红移现象越严重，这也能反证我们的宇宙，至今仍然处于大爆炸之后的加速膨胀中。
如果宇宙起源于炽热致密的奇点，那么，发生过大爆炸的早期宇宙必然非常热。倘若早期宇宙处于高温的状态，即便经过上百亿年的空间膨胀和冷却，这些热量不会消失。皮布尔斯等人预测，现在的宇宙中还残留着高于绝对零度几度的背景辐射，可以在微波波段探测到。
观测表明，宇宙微波背景辐射十分均匀，无论朝着哪个方向观测，都会接收到相同的背景辐射，温度大约为2.725开氏度，它们是来自于宇宙年龄为38万年时的宇宙第一缕曙光。背景辐射中存在大约百万分之五的温度涨落，这种极其轻微的不均匀性最终引发了星系、星系团等大尺度结构的形成。各向同性的宇宙微波背景辐射表明，早期宇宙处于高温高密度的状态，这是宇宙大爆炸的另一大独立证据。
宇宙中普遍存在的引力会让星系互相靠近，而星系大都在退行的事实表明，空间结构在膨胀，导致宇宙中的星系不会被引力吸引到一起，而是会被互相拉开。既然现在的宇宙在膨胀，这意味着曾经的宇宙更小更密。如果追溯到时间开端，宇宙中的所有东西，就连空间本身，都会集中在一个无穷小的奇点之中。
宇宙大爆炸后，大爆炸的部分能量转化为质量，主要是氢和氦元素，然后轻元素在恒星内部聚变为重元素，这是一个不可逆的过程，于是根据宇宙中不同元素的丰度，可以研究宇宙的演化过程，而元素丰度与宇宙大爆炸理论的预言吻合。
