Lý thuyết Vụ Nổ Lớn được đưa ra dựa trên cơ sở các thành tựu của lý thuyết và thực nghiệm. Về mặt thực nghiệm, năm 1912, nhà khoa học Vesto Slipher và sau này là Carl Wilhelm Wirtz đã xác định rằng hầu hết các tinh vân hình xoáy ốc đang rời xa Trái Đất, nhưng họ không nhận ra ý nghĩa của việc này, họ cũng không nhận ra được là các tinh vân đó là các thiên hà ở ngoài Ngân Hà của chúng ra.

Cũng vào những năm 1910, lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein thừa nhận một vũ trụ không tĩnh tại. Vũ trụ được mô tả bằng một ten sơ metric là một vũ trụ đang giãn nở hoặc đang co lại. Nhưng bản thân Einstein lại cho rằng một vũ trụ như thế là sai và ông đã bổ sung một hằng số vũ trụ, có tác dụng như một lực hút để có thể mô tả một vũ trụ tĩnh tại. Người đầu tiên nghiên cứu thuyết tương đối rộng một cách nghiêm túc mà không cần đến hằng số vũ trụ là Alexander Friedmann, và ông đưa ra các phương trình mô tả cho vũ trụ Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.

Năm 1927, một thầy tu dòng tên người Bỉ là Georges Lemaître cũng đưa ra các phương trình Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (Alexander Alexandrovich Friedman, Monsignor Georges Henri Joseph Édouard Lemaître, Howard Percy Robertson, Arthur Geoffrey Walker) một cách độc lập dựa trên các quan sát về sự lùi xa của các tinh vân hình xoáy ốc, và giả thiết rằng vũ trụ bắt đầu từ một "vụ nổ" của một "nguyên tử nguyên thủy" mà sau này gọi là "Vụ Nổ Lớn".

Năm 1929, Edwin Hubble đã đưa ra các cơ sở thực nghiệm cho lý thuyết của Lemaître. Hubble chứng minh rằng, các tinh vân hình xoáy ốc là các thiên hà và ông đo khoảng cách giữa chúng bằng các ngôi sao Cepheid. Ông phát hiện ra rằng các thiên hà đang rời ra xa chúng ta theo tất cả các hướng với vận tốc tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Sự giãn nở này được gọi là định luật Hubble.

Do sự giới hạn của nguyên lý vũ trụ, định luật Hubble gợi ý rằng vũ trụ đang giãn nở. Điều này cho phép hai khả năng trái ngược nhau có thể xảy ra. Khả năng thứ nhất là lý thuyết về vụ nổ lớn của Lemaître, và sau đó được George Gamow mở rộng là đúng. Khả năng thứ hai là vũ trụ tuân theo mô hình trạng thái dừng của Fred Hoyle, trong đó, vật chất được tạo ra khi các thiên hà chuyển động ra xa khỏi nhau. Theo mô hình của Hoyle, vũ trụ gần như không đổi theo thời gian. Thực ra chính Hoyle là người đã đặt tên cho lý thuyết của Lemaître một cách mỉa mai trên một chương trình của đài BBC vào năm 1949 là "vụ nổ lớn"[1], đến năm 1950 cái tên trên mới được in ở trên các bài báo.

Trong rất nhiều năm, ý tưởng này vẫn gây nhiều tranh cãi. Tuy nhiên, có nhiều bằng chứng thực nghiệm ủng hộ ý tưởng cho rằng vũ trụ bắt đầu từ một trạng thái đặc nóng. Từ khám phá bức xạ phông vi sóng vũ trụ vào năm 1965 thì lý thuyết vụ nổ lớn được coi là lý thuyết tốt nhất để mô tả nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ.

Trước những năm cuối của thập kỷ 1960, rất nhiều nhà vũ trụ học nghĩ rằng điểm kỳ dị có mật độ vô hạn tại thời điểm bắt đầu của thời gian trong mô hình vũ trụ của Friedmann có thể không đúng nếu trước đó, vũ trụ ở pha co lại nhưng khi đến gần các thiên hà trượt qua nhau và chuyển sang pha giãn nở như hiện nay. Richard Tolman gọi vũ trụ như thế này là vũ trụ dao động. Tuy nhiên, vào những năm 1960, Stephen Hawking và những người khác chứng minh rằng vũ trụ như thế không thể tồn tại và điểm kỳ dị là một đặc điểm quan trọng nhất của vật lý được mô tả bằng lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Điều này thuyết phục phần lớn các nhà vũ trụ học chấp nhận vũ trụ được mô tả bằng thuyết tương đối rộng được sinh ra tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ. Tuy nhiên, vì thuyết hấp dẫn lượng tử chưa hoàn thiện nên không có cách nào kiểm chứng điểm kỳ dị tại Vụ nổ lớn là một điểm khởi đầu cho vũ trụ và cũng không thể nào nói rằng vũ trụ có tuổi vô hạn.

Ngày nay, tất cả các công trình lý thuyết về vũ trụ học đều là phần mở rộng hoặc hiệu chỉnh lại lý thuyết Vụ nổ lớn ban đầu. Rất nhiều các công trình hiện nay về vũ trụ học bao gồm việc nghiên cứu sự hình thành của các thiên hà trong bối cảnh sau Vụ nổ lớn, tìm hiểu cái gì đã xảy ra tại Vụ nổ lớn và so sánh các kết quả thực nghiệm với lý thuyết.

Việc nghiên cứu về Vụ nổ lớn có những bước tiến bộ vượt bậc vào những năm 1990 và những đầu năm của thế kỷ 21 nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật kính thiên văn kết hợp với một lượng lớn các dự liệu vệ tinh như Máy thăm dò phông vũ trụ (COBE), kính thiên văn không gian Hubble và Máy dò dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP). Các dữ liệu này cho phép các nhà vũ trụ học tính toán rất nhiều thông số về Vụ nổ lớn với độ chính xác cao và cho ra khám phá bất ngờ là sự giãn nở của vũ trụ không phải là đều mà đang được gia tốc. (Xem năng lượng tối).