W latach 20. XX w. nowe możliwości obserwacyjne zmieniły oblicze astronomii. W tym czasie ukończony został wielki teleskop Hooke’a, o średnicy zwierciadła 2,5 m. Hubble za pomocą tego teleskopu zajął się obserwacją mgławic — jasnych smug na nocnym niebie, podobnych do chmur. W owym czasie sądzono, że mgławice są chmurami materii międzygwiazdowej znajdującymi się w Drodze Mlecznej, lub twierdzono, że są odległymi galaktykami. W 1922 Hubble w pracy
A General Study of Diffuse Galactic podał nowy schemat klasyfikacji galaktyk, dzieląc je na nieregularne i regularne: spiralne, spiralne z poprzeczką i eliptyczne. W 1923 Hubble zaobserwował w Wielkiej Mgławicy Andromedy pojedynczą gwiazdę zmienną, tzw. cefeidę i określił jej odłegłość od Ziemi. Stwierdził, że wynosi ona ok. miliona lat świetlnych, co znacznie przekracza określoną wcześniej szerokość Drogi Mlecznej, a zatem gwiazda ta znajduje się poza naszą Galaktyką, a zawierająca ją mgławica jest systemem gwiazdowym podobnym do Galaktyki. Największym odkryciem Hubble’a było stwierdzenie, że prędkość wzajemnego oddalania się galaktyk we Wszechświecie jest proporcjonalna do ich odległości. Jest to prawo Hubble’a. Podstawą do jego sformułowania był sporządzony po raz pierwszy przez Hubble’a wykres, zwany diagramem Hubble’a, przedstawiający zależność widomej wielkości gwiazdowej galaktyki od jej prędkości oddalania się. Prawo Hubble’a świadczące o równomiernym rozszerzaniu się Wszechświata stanowi podstawę współczesnej kosmologii (
A Relation Between Distance and Radial Velocity Among Extra–Galactic Nebulae 1929). Hubble nie był wielkim popularyzatorem nauki, wydał jednak kilka książek dla szerokiego kręgu czytelników, m.in.
The Realm of the Nebulae (1936) i zbiór esejów
The Nature of Science 1954. Mimo konserwatywnych poglądów politycznych Hubble był przeciwnikiem broni jądrowej. Tuż po zakończeniu II wojny światowej wygłosił wykład, w którym przedstawił obraz zniszczeń jakich może dokonać użycie broni jądrowej. Oprócz prawa nazwanego od jego nazwiska, Hubble’a upamiętnia też satelita w przestrzeni kosmicznej —
Teleskop Kosmiczny Hubble’a, pozwalający na uzyskiwanie nowych informacji o Wszechświecie.