宇宙学与天体物理学不同，后者研究的是宇宙中的天体（如星系）的起源和演化。物理宇宙学是物理学和天体物理学的分支，主要运用引力理论来研究宇宙起源、演化和终极命运，以及研究宇宙在大尺度上的特征。

宇宙学这一词汇首次出现于英国T.布朗特于1656年写的《词集》（Glossographia）一书中，而且在1731年被德国哲学家C.沃尔夫用拉丁语Cosmologia Generalis采用。虽然宇宙学这个词是最近才有的，但对宇宙的研究已经有很长的历史，它牵涉到科学、哲学、神学以及宗教。

宇宙的结构及形成自古以来就是人们关心的话题，中外历史上都曾出现过多种宇宙学说。如中国的浑天说、盖天说和宣夜说，古希腊阿利斯塔克提出的日心说、统治中世纪欧洲上千年的地心说、N.哥白尼提出的日心说等。牛顿万有定律表明地球上的物体和宇宙中的天体遵从相同的物理规律，这对于物理宇宙学而言是一个巨大的进步。

现代宇宙学是在爱因斯坦广义相对论的基础上建立起来的。A.爱因斯坦于1917年首次提出宇宙空间均匀且各向同性的假定，并且利用广义相对论提出了静态宇宙学模型，开创了现代相对论宇宙学。

相对论宇宙学可大致分为运动学和动力学模型两个部分。前者以宇宙学原理为基础，利用弗里德曼-罗伯逊-沃克度规来分析、概括宇宙学尺度上的运动学观察事实；后者则要根据宇宙演化各个不同阶段的物质状态来求解爱因斯坦场方程，并进一步说明各种有关宇宙演化的规律性。

为使宇宙保持静态，爱因斯坦在他的场方程中引入了一个相当于斥力的常数项，这个常数只在宇宙学涉及的大尺度上才有明显效应，故称为宇宙学常数。同年W.德西特证明这个模型并不是唯一的，他发现一个空虚而膨胀的宇宙同样满足引力场方程。德西特宇宙模型尽管在当时被认为是神秘难懂的，但它在宇宙学后来的发展中起着重要作用。A.弗里德曼于1922年发现只有物质存在的爱因斯坦场方程的膨胀解，G.勒梅特利用这些解最早建立了大爆炸模型的雏形。按照这个理论，宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的原初状态演变而来，并经过不断的膨胀到达今天的状态。E.P.哈勃在1929年发现大多数星系谱线的红移（若用多普勒效应解释则体现为星系退行速度）同距离大致成正比，现称为哈勃定律。这一观测事实意味着宇宙在膨胀，从而否定了宇宙整体静止的传统观念。哈勃定律的发现使爱因斯坦放弃了他引入的宇宙学常数。耐人寻味的是，这个被宣判已经死亡的宇宙学常数，在爱因斯坦去世半个世纪以后，竟然又作为主宰宇宙加速膨胀的暗能量的一种可能性而恢复了“生命”。基于爱因斯坦广义相对论及宇宙学原理的大爆炸宇宙模型很好地解释了宇宙的膨胀、演化及大尺度结构形成。大爆炸理论框架下宇宙先后经历了早期暴涨、辐射为主时期、物质为主时期，以及现在的加速膨胀时期。微波背景辐射及宇宙轻元素丰度的观测结果强有力地支持了大爆炸宇宙模型。

如果放弃宇宙学原理，利用广义相对论研究非均匀各向异性的宇宙，则这些宇宙学模型可分成比安基9类模型。结合宇宙学原理及其他非广义相对论的引力理论，则可得到其他的宇宙学模型。

20世纪90年代后，宇宙背景辐射探测器（COBE）、威尔金森微波背景各向异性探测器（WMAP）以及普朗克卫星对微波背景辐射的精确测量，与大尺度巡天、超新星、引力透镜等天文观测把宇宙学带入了精确宇宙学时代。