De retour aux États-Unis en 1913, il passa l'examen du barreau et exerça brièvement comme avocat au Kentucky, mais son coeur penchait pour l'astronomie. Il reprit donc des études supérieures à l'observatoire Yerkes de l'université de Chicago, dirigé par le célèbre astronome Edwin B. Frost. En 1917, il soutint sa thèse de doctorat intitulée Photographic Investigations of Faint Nebulae, portant sur les nébuleuses spirales. La même année, il s'engagea dans l'armée américaine pendant la Première Guerre mondiale, atteignant le grade de major. Après un bref passage en France, il fut démobilisé en 1919 et accepta immédiatement un poste au mont Wilson Observatory en Californie, où se trouvait le télescope Hooker de 2,5 mètres, alors le plus grand du monde. C'est là qu'il allait révolutionner l'astronomie. À l'époque, on pensait que la Voie lactée constituait l'intégralité de l'univers et que les nébuleuses spirales étaient des nuages de gaz internes à notre galaxie. 

Hubble, en étudiant la nébuleuse d'Andromède (M31), y identifia une étoile variable céphéide en 1923. Grâce à la relation période-luminosité découverte par Henrietta Leavitt, il calcula la distance d'Andromède : environ 900 000 années-lumière (la valeur moderne est 2,5 millions), bien au-delà des limites supposées de notre galaxie. Il prouva ainsi qu'Andromède était une galaxie distincte, et que l'univers contenait d'innombrables "univers-îles". 

En 1925, il présenta une classification des galaxies selon leur morphologie, dite "diagramme du diapason", qui les répartit en elliptiques, spirales normales, spirales barrées et irrégulières (un système toujours utilisé). Assisté de Milton Humason, il s'engage par ailleurs sur une voie inaugaurée par Vesto Slipher : la mesure du décalage spectral des galaxies et la mise en rapport de ce décalage avec leur distance. Hubble établit une relation linéaire : plus une galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne rapidement de nous. C'est la loi de Hubble, qui devint la première preuve observationnelle de l'expansion de l'univers, préfigurant le big bang. 

La constante de proportionnalité, appelée constante de Hubble, demeure un paramètre clé de la cosmologie. Hubble tenta toujours de mesurer cette constante, mais sa valeur initiale (environ 500 km/s/Mpc) était trop élevée en raison d'erreurs d'étalonnage; elle fut corrigée plus tard par d'autres astronomes. Bien que souvent attribué à Hubble, le décalage vers le rouge cosmologique fut d'abord mis en évidence par Slipher, et les travaux théoriques de Lemaître (1927) avaient déjà proposé l'expansion avant la publication de Hubble. Cependant, Hubble apporta la preuve observationnelle irréfutable, ce qui lui valut une renommée mondiale. Pendant les années 1930, il continua d'observer depuis le mont Wilson, cherchant à affiner la loi de Hubble et à sonder les profondeurs de l'univers. Il collabora avec le physicien Richard Tolman sur les problèmes de la courbure de l'espace et de la luminosité des galaxies. En 1936, il publia The Realm of the Nebulae, un ouvrage de synthèse qui vulgarisa ses découvertes et influença toute une génération. 

Hubble épousa Grace Burke, fille d'un riche banquier, en 1924. Le couple n'eut pas d'enfants. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Hubble reprit du service actif, travaillant à l'Aberdeen Proving Ground dans le Maryland sur des questions de balistique. Il reçut la Médaille du Mérite en 1946. Après la guerre, il milita activement pour la construction d'un télescope géant, qui aboutira au télescope Hale de 5 mètres à l'observatoire du mont Palomar. Hubble fut le premier astronome à l'utiliser en 1949, malgré une grave crise cardiaque en juillet de la même année. Il continua de travailler avec acharnement, mais sa santé déclina. 

Edwin Hubble mourut d'une thrombose cérébrale le 28 septembre 1953 à San Marino, en Californie.