幸虧由於星系離我們十分遙遠和光速的有限性，我們可以通過考察距離不同（因此年齡不同）的星系來研究它們的演化歷程。例如：仙女座大星雲離我們２００萬光年，我們今天看到的實際上是它２００萬年前的面貌。同樣，當我們觀察距離５０００萬光年的室女座星系團中的星系時，它的光是５０００萬年前發出的。藉助大型望遠鏡，我們可以看到處於宇宙深處的更年輕的星系。
剛剛從原始氣雲凝結出來的星系胚胎是什麼樣子，目前天文學家尚不清楚，因為在第一代明亮的恆星形成以前，這些遙遠的暗弱氣體是很容易逃過目前最強大的望遠鏡的追蹤的。隨著時間的推移，原始星系雲開始收縮和冷卻，一步步分裂為更小更密的碎片，由這些碎片中最終誕生出第一代恆星。第一代恆星比太陽要重得多，明亮得多，壽命也短得多。在大約１０００萬年內便耗盡了自己的燃料，然後通過爆發形式把自己內部合成的重元素拋回星際空間，進入第二代、第三代恆星形成和演化的循環。上述過程的後果是星系越年輕，重元素的含量應越少，而顏色則應偏藍。天文觀測表明情況的確如此。
除了化學組成以外，星系的形態也隨時間而變化。早期星系的密度比現在高得多，相鄰星系在引力作用下彼此靠近，產生潮汐形變甚至合併為一的可能性也就高得多。８０年代發射的紅外天文衛星發現了一批極亮的年輕星系，其中約６０％表現出潮汐形變或合併的特徵：有的星系拖出一條"尾巴"，有的星系長出兩支"角"，有的雙星系之間有"橋"相通。
