Avec le télescope de 2.5m, Hubble montre que certaines étoiles de la grande nébuleuses d'Andromède M31 sont des variables céphéides. Utilisant la loi de Leavitt-Shapley, il détermine sa distance à 800 000 années-lumière, ce qui place M31 hors de notre galaxie. Ainsi, Hubble met fin au long débat sur la nature des objets diffus qu'on appellera désormais galaxies. Soudainement les frontières de l'univers connu se trouvent repoussées de plusieurs milliers de fois.
En 1929, Hubble analyse les vitesses radiales des galaxies, mesurées par Slipher à partir des décalages de raies spectrales. Il se limite d'abords aux galaxies à moins de 6 millions d'années-lumière; il s'aperçoit que la relation vitesse-distance est approximativement linéaire. En compagnie de Milton Humason, il étend son étude à des galaxies distantes jusqu'à 100 millions d'années-lumière. La relation reste une droite. Il énonce sa fameuse loi: plus une galaxie est éloignée, plus le décalage spectral vers le rouge est grand, et donc plus elle s'éloignerait vite.