Completa o doutorado em astronomia em 1917, mas interrompe os estudos para combater na I Guerra Mundial (1914-1918). Retoma as pesquisas em 1919, no Observatório Monte Wilson, em Washington, onde inicia a investigação de fenômenos extragalácticos.
Observa uma nebulosa cujas estrelas, chamadas Cefeidas, têm características diferentes das do Sistema Solar, o que comprova a existência de sistemas estelares fora da Via Láctea. Anunciado em 1924, o achado revoluciona a astronomia, que considerava a Via Láctea a única galáxia do cosmo.
O estudo dos fenômenos de fuga e recessão das galáxias, em 1927, leva-o a sua segunda grande descoberta sobre a expansão do Universo. Em 1929 consegue provar que o Universo não é estático; pelo contrário, está em constante mutação, princípio conhecido como Lei de Hubble. Morre em San Marino, na Califórnia.