1917年，希伯·柯蒂斯观测到M31内的一颗新星，搜寻照相的记录又找到了11颗。柯蒂斯注意到这些新星的平均光度约为10等，远低于发生在银河系内的星等。这一结果使估计的距离提高至500,000光年，也是他成为“岛宇宙”假说的拥护者。此一假说认为螺旋星云也是独立的星系。

1920年，发生了哈洛·夏普利和希伯·柯蒂斯之间的大辩论，就银河系、螺旋星云、和宇宙的尺度进行辩论。为了支持他所声称的M31是外在的星系，柯蒂斯提出我们自己的银河系也有尘埃云造成类似的黑色小道，并且有明显的多普勒位移。

1924~1925年，哈勃在照相底片上证认出仙女座星系旋臂上的造父变星，并根据周光关系算出距离，确认它是银河系之外的恒星系统，辩论便平息了。使用2.5米(100英寸)反射望远镜拍摄的照片，M31的距离得以被确认。哈勃的测量决定性的证实这些恒星和气体不在我们的银河系之内，而整体都是离我们银河系有极大距离的一个星系。

1939年经巴布科克等人的研究，测出从中心到边缘的自转速度曲线，并由此得知星系的质量。据估计，M31的质量不小于3.110个太阳质量，比银河系大一倍以上，是本星系群中质量最大的一个。M31的中心有一个类星核心，直径只有25光年，质量相当于10太阳质量，即一立方秒差距内聚集1500个恒星。类星核心的红外辐射很强，约等于银河系整个核心区的辐射。但那里的射电却只有银心射电的1/20。射电观测指出，中性氢多集中在半径为10千秒差距的宽环带中。氢的含量为总质量的1%，这个比值较之银河系的（1.4～7%）要小。由此可以认为，M31的气体大部分已形成恒星。

1943~1944年，沃尔特·巴德分辨出仙女座星系核心部分的天体，证认出其中的星团和恒星。基于他对这个星系的观测，他分辨出两种不同星族的恒星，他称呼在星系盘中年轻的、高速运动的恒星为第一星族，在核球年老的、偏红色的是第二星族，这个命名的原则随后也被引用在我们的银河系内，以及其他的各种场合。（恒星分为二个星族的现象欧特在此之前就注意到了）并指明星族的空间分布与银河系相似。巴德博士也发现造父变星有两种不同的型态，使得对M31的距离估计又增加了一倍，也对其余的宇宙产生影响。M31旋臂上是极端星族Ⅰ，其中有O-B型星、亮超巨星、OB星协、电离氢区。在星系盘上观测到经典造父变星、新星、红巨星、行星状星云等盘族天体。中心区则有星族Ⅱ造父变星。晕星族成员的球状星团离星系主平面可达30千秒差距以外。还发现，M31成员的重元素含量，从外围向中心逐渐增加。这种现象表明，恒星抛射物质致使星际物质重元素增多的过程，在星系中心区域比外围部分频繁得多。

19世纪50年代，仙女座星系的第一张无线电图是由约翰·鲍德温和剑桥无线电天文小组合作共同完成的。在2C星表无线电天文目录上，仙女座星系的核心被编目为2C 56。

2006年，发现了9个星系沿着横越过仙女座星系核心的平面延伸著，而不是随意的散布在周围。这也许可以说明这些卫星星系有共同的起源。

M31在天文学史上有着重要的地位，在星系的研究中扮演着一个重要的角色，因为它虽然不是最近的星系，却是距离最近的一个巨大螺旋星系。

2023年2月，由美国哈佛大学科学家领导的一个国际研究团队，借助暗能量光谱仪器（DESI），发现了一个惊人的新证据，表明仙女座星系内曾经发生过一次大型“星系移民”事件。这是科学家首次在银河系外其他星系内发现“星系移民”，相关结果即将刊发于《天体物理学杂志》；研究人员解释道，对仙女座星系的这一新观测结果，非常详细地揭示了一次“星系移民”事件。虽然夜空看似一成不变，但宇宙是一个充满活力的地方，像M31这样的星系和银河系都包含许多组成部分。研究团队指出，最新研究不仅揭示了仙女座星系的历史，也可以间接揭示银河系的历史。

2023年9月17日，北半球光学时域巡天能力最强的墨子巡天望远镜在青海冷湖天文观测基地正式投入观测，这将使中国时域天文研究能力达到国际先进水平。由这架望远镜试观测阶段拍摄的一张仙女座星系照片同日公布，这也是目前世界上拍摄到的最大视场仙女座星系高分辨率图像。

早在18世纪，伊曼努埃尔·康德（Immanuel Kant）就认为，这类星云可能是银河系之外的巨大恒星系统，这一见解甚至到了20世纪初仍未得到证实。另一个颇有市场的观点是，星云乃银河系内部气体尘埃云形成恒星的区域。这个问题在上世纪20年代，埃德温·哈勃使用威尔逊山天文台新造的100英寸（2.54米）望远镜，在仙女座星云的外区证认出了个别的恒星，才获得解决。

这些恒星中有些是造父变星。由于造父变星的变化与它们的绝对星等有关，所以哈勃得以从它们的视亮度计算出到仙女座星系的距离，由此证明它确实是另外一个独立的星系。

哈勃估计的距离，后来主要通过沃尔特·巴德（Walter Baade）的研究，几经修正而有所增大。哈勃的工作证实了银河系不过是许许多多星系中的一个而已，宇宙远远伸展到了银河系边界以外。在700千秒差距距离上，仙女座星系的直径将是50千秒差距，大致比我们的银河系大一倍，约含4000亿颗恒星。

一般认为银河系的外观与仙女座大星系十分相像，两者共同主宰着本星系群。仙女座大星系弥漫的光线是由数千亿颗恒星成员共同贡献而成的。几颗围绕在仙女座大星系影像旁的亮星，其实是我们银河系里的星星，比起背景物体要近得多了。仙女座大星系又名为M31，因为它是著名的梅西耶星团星云表中的第31号弥漫天体。星云中的恒星可以划分成约20个群落，这意味着它们可能来自仙女座星系“吞噬”的较小星系，仙女座星系的直径至少是50千秒差距（16万光年），为银河系直径的1.5倍（银河系直径为十万光年），是本星系群中最大的一个星系。仙女座星系和银河系有很多的相似，对二者的对比研究，能为了解银河系的运动、结构和演化提供重要的线索。

仙女座大星云是秋夜星空中最美丽的天体，也是第一个被证明是河外星系的天体，还是肉眼可以看见的最遥远的天体。暗物质，可能是在这个集团中质量最大的。斯皮策太空望远镜观测显示仙女座星系有将近有一万亿颗恒星，数量远比我们的银河系多。在2006年重新估计银河系的质量大约是仙女座星系的50%，大约是太阳质量（符号：M☉）。

仙女座星系在适度黑暗的天空环境下很容易用肉眼看见，但是如此的天空仅存在于小镇、被隔绝的区域、和离人口集中区域很远的地方，只受到轻度光污染的环境下。肉眼看见的仙女座星系非常小，因为它只有中心一小块的区域有足够的亮度，但是这个星系完整的角直径有满月的七倍大。

2022年8月，中国科学院上海天文台与上海交通大学的联合研究团队在仙女座星系（M31）结构研究方面取得重要进展。

2024年2月，中国天文学家计算得到仙女星系质量约为1.14万亿倍太阳质量。相关研究成果在线发表于英国《皇家天文学会月刊》。

与银河系相似，仙女座星系也有卫星星系，所知的已经有14个矮星系，最有名的、也是最容易观测到的卫星星系是椭圆星系M32和M110。

依据现有的证据，似乎在不久前的过去M32曾经与M31相遇过。M32原本可能是一个大星系，但核心被M31从星盘内剔除，并且在核心区域经历恒星形成的暴增。

M110看来也曾经与M31有过交互，并且天文学家在M31的星系晕中发现了从这个卫星星系被剥离的富含金属星的星流。M110包含了一些灰尘很多的路径，暗示最近有恒星持续的形成。这在矮椭圆星系中是不寻常的现象，因为椭圆星系通常是缺乏尘埃和气体的。

在2006年，发现了9个星系沿着横越过仙女座星系核心的平面延伸，而不是随意的散布在周围。这也许可以说明这些卫星星系有共同的起源。

仙女座星系以大约每秒300公里（180英里/秒）的速度靠近太阳，所以它是少数蓝移的星系之一。将太阳系在银河内的速度考量进去，将会发现仙女座星系以100～140公里/秒(62–87英里/秒)的速度接近银河系。即使如此，这并不意味着未来会和银河系发生碰撞，不过根据2015年最新观测数据认为，银河系可能正在以每秒200公里的速度靠近M31。即使会发生碰撞，也是30亿（±10）年后的事情。在这种情况下，两个星系会合并成一个更巨大的星系。在星系群中这种事件是经常发生的。

在1953年发现有一种光度较暗的造父变星，使仙女座大星系的距离增加了一倍。1990年代，使用依巴谷卫星利用标准的红巨星和红丛集测量的距离，为造父变星测量的距离校准。

至少有三种方法被用来测量M31的距离。在2004年，使用造父变星法，估计的距离是251 ± 13万光年（770 ± 40千秒差距）。

2005年，包括Ignasi Ribas（西班牙研究委员会，CSIC、卡塔龙尼亚的太空研究学院）和他的同事在内的一群天文学家，宣布在仙女座星系发现了食双星。这对双星的名称（编号）是M31VJ00443799+4129236，两颗星分别是明亮且热的O型星和B型星。研究得知食的周期是3.54969日，这让天文学家可以测量它们的大小。知道恒星的大小和温度，就能测量出绝对星等。而知道了视星等和绝对星等，距离就能测量出来了。这对恒星的距离经测定为252万± 14万光年，而仙女座星系的整体的距离是250万光年。这新的数值被认为比早先单独使用造父变星测量的距离更为精准。

仙女座星系的距离近到足以利用红巨星分支技术（Tip of the Red Giant Branch ,TRGB）的方法来估计距离。在2005年，用这种方法测出的距离是256±8万光年（785±25千秒差距）。

平均上述的值，这些测量给的距离估计是253±7万光年（775±22千秒差距）。

基于上述的距离，M31的直径最宽处估计是220,000±4000光年。

估计仙女座星系的质量（包括暗物质）大约是1.23×10M☉（或1.23兆太阳质量），相当于银河系质量（5.8×10M☉）的2.12倍。虽然误差的范围仍然太大以至于难以完全确认，但这样的结果将已经可确认M31的质量比银河系大，而且M31比银河系尺寸更大、包含更多恒星。

M31看上去有比银河系更多的普通恒星，估计的亮度也是银河系的两倍。但是在恒星形成速率上，银河系却高了许多，M31每年只能制造出1个太阳质量的恒星，而银河系是3-5个太阳质量。新星出现的比率银河系也比M31高一倍。这显示M31已经经历了恒星形成的阶段，而银河系正在恒星形成的阶段中。而这意味着在将来，银河系中恒星将会与在M31观察到的数量相当。

与银河系相比，仙女座星系似乎以年龄超过年的老星。仙女座星系的估计光度约L☉，比我们的银河系高25%。然而，从地球观测银河系时，具有高倾角，并且其星际尘埃吸收未知量的光，因此难以估计其实际亮度，一些科学家已经给出了仙女座星系光度的不同值（一些科学家甚至提出它是在银河系的10兆秒差距范围内的第二亮银河系，在Sombrero星系之后，绝对星等大约为-22.21。

在2010年发布的斯皮策空间望远镜的帮助下进行的估计表明，绝对星等（蓝）为-20.89（色指数为+0.63，绝对视星等为-21.52，银河系为-20.9，并且该波长的总光度为L☉。

根据最近的研究，仙女座星系位于星系颜色-星等图中被称为“绿色山谷”的地方，这个区域由银河系等星系组成，从“蓝云”过渡（星系积极形成新星）到“红色序列”（缺乏恒星形成的星系）。绿色山谷星系中的恒星形成活动正在减缓，因为它们在星际介质中用尽了恒星形成的气体。在与仙女座星系具有相似特性的模拟星系中，恒星形成预计将在距离现在大约50亿年内消失，这可以解释由于仙女座星系与星系之间的碰撞造成的恒星形成速率的预期短期增长。

以可见光下看见的形状为依据，仙女座星系在de Vaucouleurs-Sandage延伸与扩张的分类系统下被分类为SA(s)b的螺旋星系。然而，在2MASS巡天的资料中，M31的核球呈现箱状的形状，这暗示著M31实际上是棒旋星系，而我们几乎是正对着长轴的方向观察这个星系。仙女座星系也是一个LINRER星系（低游离核辐射线区），在分类上是一种很普通的活跃星系核。

2005年，天文学家使用凯克望远镜观察到细微的像被喷洒而向外延伸的恒星，实际上也是主星盘本体的一部分。这意味着仙女座星系的螺旋盘面比早先估计的大三倍。这个证据显示仙女座星系盘的直径超过220,000光年，是一张巨大且延展的星盘。早先估计的直径是70,000至120,000光年。

星系相对于地球的倾斜估计是77°（90°是直接从侧面观看），分析星系横断面的形状像是字母S的形状，而不是一个平坦的平面。造成这种形状翘曲的一个可能是与邻近M31的卫星星系引力的交互作用。分光镜的观测对星系的自转速度在距离核心不同的半径上提供了详细的测量。在邻近核心的地区，旋转的速度达到225公里/秒（140英里/秒）的峰值；在半径1,300光年处开始下降，在7,000光年处达到最低的50公里/秒（31英里/秒）。然后，速度在平稳得上升，在半径33,000光年的距离上达到的丰值是250公里/秒（155英里/秒）。在这距离之外的速度又慢慢的下降，在80,000光年处降至200公里/秒（124英里/秒）。这些速度的测量暗示集中在核心的质量大约是6×10M☉，总质量成线性的增加至半径45,000光年处，然后随半径的增加而逐渐减缓。

仙女座星系的螺旋臂向外延伸出一连串的电离氢区螺旋星系内。从距离核心大约1,600光年处有两条连续的螺旋臂向外拖曳著，彼此间最近的距离大约是13,000光年。螺旋的样式很可能肇因于与M32的交互作用。这些置换可以由来自于恒星的中性氢云观察到。

在1998年，来自欧洲空间局的红外线太空天文台的影像显示出仙女座星系的整体形象可能是会被转换成圆环星系。在仙女座星系内的气体含尘埃形成了几个重叠的圆环，其中最突出的一个圆环在距离核心32,000光年的半径上。这个环由冰冷的尘土组成，因此在可见光的影像中这个环是看不见。

更周详的观察显示内部还有更小的尘埃环，相信是在200万年前与M32的交互作用造成的。模拟显示，这个较小的星系沿着极轴方向穿越了仙女座星系的盘面。这次碰撞从较小的M32剥离了超过一半的质量，并且创造了仙女座星系内的环结构。

对M31扩展开来的晕的研究显示，大致上是可以和银河系做比较的，在星系晕中的恒星同样是属于金属贫乏的，并且随着距离的增加更形贫乏。这些证据显示这两个星系走着相似的演化路线，在过去的120亿年中，它们可能各自都吞噬了1-2百个低质量的星系。在M31扩展的晕中的恒星和银河系中的恒星可能近到只有两星系间三分之一的距离。

长久以来M31就被知道在核心有一个密集和紧凑的星团。在大望远镜下，感觉有许多模糊的星点环绕着核心。核心的亮度也远超过最亮的球状星团。

1991年，Tod R. Lauer使用哈勃太空望远镜上的WFPC拍到了仙女座星系内核的影像。有两个相距1.5秒差距的核心，较亮的核被标示为P1，看起来像是一个巨球状星团，位置偏离了星系的中心；稍暗的标示为P2，位置在星系真正的动力学中心，更像是叠加在一个致密紫外辐射星团之下的一个扩展盘，被认为是质量相对较大同时也较古老的核。两个核的运动暗示，其都与核心处一个质量更大的物体处于相互作用中，这个物体推测为一个质量为3300万太阳质量的黑洞，这可以非常好的解释所观察到的运动。

随后地基的观测也证实了两个核心的存在，并且推测两者在相对地移动，其中一个是被M31吞噬，正在潮汐裂解中的小星系。包括M31在内，许多星系的核心，都是充满了相当狂野的、剧烈变动的的区域，并且经常都以有超级黑洞存在其中来解释。

Scott Tremaine提出了以下的说明来解释双核心：P1是在盘面上以异常轨道环绕中心黑洞的恒星投影。这异常的离心率使恒星长期逗留在轨道的远心点上，造成了恒星的集中。P2也包含了盘面上高热的、光谱A型星。在红色的滤光镜下，A型恒星是不明显的，但是在蓝色和紫外线下，它们会比主要的核心更为明亮，造成P2看上去比P1更为突出。

使用欧洲空间局的XMM-牛顿轨道天文台发现M31有数个X射线源。罗宾·巴纳德博士等人假设这些都是黑洞或中子星的候选者，将接踵而至的气体加热至数千万K所辐射出的X射线。中子星和假设中的黑洞，光谱是一样的，但是可以从质量上的差异区别出来。

仙女座星系大约有460个球状星团，这些星团中质量最大的，被命名为马亚尔Ⅱ的，绰号是G1（Gloup one），是本星系群中最明亮的球状星团之一。它拥有数百万颗的恒星，亮度大约是半人马座ω－银河系内所知最明亮的球状星团的两倍。 G1有几种不同的星族，而且以一般的球状星团来看结构也太巨大了。因此，有些人认为G1是以前被M31吞噬的矮星系残骸。

另一个巨大且明显的球状星团是位于西南旋臂东侧一半位置上的G76。

M31旋臂上散布着200个左右的星协，与银河系的星协相比，两者包含着同类的明亮蓝色恒星，但前者最多可比后者大10倍。M31中的星协跨度约达1500光年，而银河系中的猎户星协及天狼星协跨度为150光年。

在2005年，天文学家在M31又发现一种全新型态的星团。新发现的星团拥有成千上万的恒星，在数量上与球状星团相似。不同的是体积非常庞大，直径达到数百光年，密度也低了数百倍；恒星之间的距离也远了许多。

仙女座星系正以每秒110公里的速度靠近银河系。当太阳以大约225km/s的速度围绕银河系中心运行时，已经测得它相对于太阳的速度接近300km/s。这使得仙女座星系成为约100个可观测到的蓝移星系之一。仙女座星系相对于银河系的切向或侧向速度相对小于切向的接近速度，因此预计它将在大约40亿年内直接与银河系相撞。碰撞的一个可能结果是，星系将合并形成一个巨大的椭圆星系，甚至可能形成一个大圆盘星系。这种事件在星系群中的星系中很常见。还不知道发生碰撞时地球和太阳系的命运。在星系合并之前，太阳系很少有可能从银河系中弹出或加入仙女座星系。