1948年4月1日，美国《物理评论》杂志发表了伽莫夫的“化学元素的起源”一文。在这篇论文中，伽莫夫提出了宇宙大爆炸学说。按照这一学说，宇宙起源于一个高温、高密度的“原始火球”，有过一段由密到稀、由热到冷的演化史。这个演化过程伴随着宇宙的膨胀，开始时十分迅猛，如同一次规模巨大的爆炸，所以被称为大爆炸宇宙模型。
这一宇宙模型向人们提供了自大爆炸开始后10-6秒直到今天的演化全过程。在宇宙的极早期，温度达100亿℃以上，密度则几乎为原子核的密度。此时宇宙中只有质子、中子等一些基本粒子。由于整个体系在不断膨胀，温度很快下降，当降至10亿℃时，中子失去自由存在的条件，开始与质子结合成重氢、氦或其他轻元素。化学元素从这一时期开始形成，宇宙中30%左右的氦丰度就是此时形成的。当温度降至100万℃时，宇宙以热辐射为主，物质形态主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降至几千度时，热辐射减退，电子和原子核开始结合成原子，这时宇宙间主要是弥漫的气体。由于引力不稳定，有些地方的弥漫气体凝聚为气体星云，气体星云再进一步收缩成星系和恒星，成为我们今天所观测到的宇宙。
大爆炸宇宙模型得到了众多观测证据的支持：主要有河外星系的红移、3K微波背景辐射、30%的氦丰度、天体的年龄等。当然，这一模型还存在不少缺陷。但无论如何，大爆炸宇宙模型还是为大多数宇宙学家所接受了。它的缺陷则成为宇宙学家们进一步深入研究的方向。20世纪80年代出现的“暴胀宇宙论”就是宇宙大爆炸模型的进一步发展。