透過觀測銀河系中的恆星分佈以及河外星系，天文學家知道銀河系是一個圓盤狀的中心部分有些隆起，並且太陽系遠離銀河系的中心，處在銀河系的獵戶臂上。基於這些資訊，只要測出太陽系與銀心的距離，以及太陽系與背對銀心方向的銀河系邊緣的距離，就能知道銀河系的直徑。

因此，測量銀河系的直徑，就等於測量遙遠恆星的距離。恆星的測距方法通常包括三角視差法、主序星擬合法、造父變星法。在測量銀河系直徑時，主要依賴於三角視差法和造父變星法。

三角視差法是一種幾何方法，我們在某一時間觀測一顆恆星的位置，半年後，地球轉到太陽的另一側，我們再觀測這顆恆星的位置，其位置相對於背景恆星是不重合的，這會出現輕微的視差。只要測出視差角，由於日地距離已知，根據三角函式即可算出距離。天文學中最常用的長度單位“秒差距”就是來源於此。目前，天文學家測出的銀河系直徑介於10萬至20萬光年，恆星盤厚度約2000光年，太陽系離銀心大約2.6萬光年。

另據估計，銀河系中存在大約1000億至4000億顆恆星，恆星與恆星之間的平均距離約為4光年。除了恆星和星雲等普通物質之外，銀河系中可能還存在著大量的暗物質。這種神秘的物質籠罩著整個銀河系，形成了被稱為暗物質暈的結構，它從銀心向外延伸可達30萬光年。暗物質的含量遠超普通物質，它們產生的強大引力維持住了銀河系的結構。