对哈勃来说，重回天文学领域，就像是鱼儿回到了水里般舒服自在。芝加哥大学附属的叶凯士天文台里有一架当时非常先进的61厘米口径的望远镜，能够观察到遥远的星云，这让哈勃如获至宝。

哈勃在此期间拍摄了大量新的星云照片，累积了相当丰富的观测经验，让他还没毕业就获得了威尔逊山天文台的聘书。当时哈勃正在撰写博士论文《黯淡星云的摄影研究》，他深知自己如果要在星云的研究上更上一层楼，势必需要借助更加精良的观测仪器，而威尔逊山天文台正配备着当时世界上最大的反射望远镜。哈勃答应了聘用，然而就在他将要毕业之际，第一次世界大战爆发了。

为了响应美军募兵，哈勃决定前往军队报到。威尔逊山天文台知道他的决定后，表示仍然愿意保留一个职位给他。

战争结束后，哈勃终于前往威尔逊山天文台报到。或许这里才是他真正的战场，他也即将在这里展开一段天文学史上的英勇事迹。

1920年4月26日，天文学界举办了一场世纪大辩论，两位德高望重的天文学家沙普利和柯蒂斯，就旋涡星云的本质和宇宙尺度产生了不同的看法。辩论中的基本问题是当时所谓的旋涡星云[14]，究竟是银河系内的小天体，还是银河系外巨大且独立的星系。

沙普利认为银河系就是宇宙的全部，直径达到30万光年，仙女座旋涡星云是银河系内的一种星云状天体。柯蒂斯则认为，银河系的直径只有4万光年，而仙女座旋涡星云距离我们至少有50万光年，它是银河系之外的另一个星系。双方都提出了各自的理论依据，谁都说服不了谁。

哈勃当时就坐在会场中，不发一语。他早就在威尔逊山上用世界上最大的150厘米和254厘米望远镜照相观测旋涡星云一年多了，他相信自己总有一天会解开这道僵持了数年之久的难题。

转机出现在1923年，哈勃在某次对仙女座星云的观测中发现了一颗造父变星，这就相当于找到了测量仙女座距离的那把尺。根据勒维特的周光关系，那颗星的光强变化的周期长达31天，与它微弱的视觉亮度相比，说明它距离我们非常遥远，远到同时超出了沙普利和柯蒂斯对宇宙大小的预测。

哈勃对这个距离进行了反复的测算，得出了一个超越当时所有天文学家想象的数值：93万光年（今天测算出的距离是254万光年）。这可是了不起的大发现！哈勃在震惊之余依然保持着清醒与谨慎，为免自己的推论存在纰漏，他并没有马上公开这个发现，而是把自己关在了威尔逊山上，没日没夜地将那把丈量宇宙的尺子在浩渺的星际空间中不断延伸，试图获得更多的数据。

功夫不负有心人，两年时间内，哈勃进一步发现了34颗造父变星，并一一测算了它们的距离，其中距离我们最遥远的星系，居然达到了上亿光年。

至此，哈勃手中所掌握的数据已经足以证明仙女座星云是一个远在银河系之外的独立星系，且这样的星系广布在整个宇宙当中。它们拥有自己的星团，受自己的系统引力绑定而呈现一个整体，就像大海中一座又一座分离的岛屿。

1925年1月，哈勃发表了一篇论文，正式终结了旷日持久的“沙普利—柯蒂斯之争”：旋涡星云是河外星系，银河系并非宇宙的全部，银河系的直径约10万光年，宇宙的大小远比人们原来知道的要大。这一天，人类总算真正发现了宇宙。

柯蒂斯最切身地明白哈勃这一发现的意义，他在书中写道：“在人类思想历史上，很少形成过比这更伟大的概念：我们——不过是在自己星系中百千万个太阳之一的一个小卫星上生存的微不足道的生物——能够看到自己星系之外还有其他类似的星系。它们每个都有着几万光年的直径，像我们的一样有着几十亿个甚至更多的太阳。因此，我们的视线从50万光年穿越到几亿光年的遥远——那更广阔的宇宙。”哈勃就此声名大噪。

这以后，哈勃进一步对河外星系的结构展开研究。在大望远镜的帮助下，哈勃看到星云并不都是涡旋状，还有椭圆和一些不规则的形状。他由此制作了一个“哈勃分类体系”，一直沿用至今。