就像地球、太陽一樣，星系確實都在自轉。這種自轉運動會使像銀河系這樣的螺旋星系呈現為扁平的圓形。就其各部分的切向速度而言，星系的自轉速度非常快。例如，我們的太陽系在參與銀河系自轉的過程中，以每小時79.2萬公里（220公里/秒）的速度在星際空間中運行。那麼，如果星系的各個部分移動得如此之快，為什麼它們看起來會像是靜止的呢？
簡單來說，這是因為星系大得難以想象。從遠處看，一個高速運動的物體看起來顯得很慢，例如，天上的飛機看起來是在慢慢運動，儘管飛機的時速可達900公里。這不是什麼心理效，在一個巨大的空間中，當物體的速度用它所要行進的總距離的百分比來表示時，它實際上運動得非常慢。
我們的太陽系距離銀河系中心大約2.6萬光年，所以太陽系環繞銀河系運動一圈所需要行進的距離是16.3萬光年，即155億億（1.55×10^18）公里。雖然太陽系正以每小時79.2萬公里的速度再空間中快速運動，但我們環繞銀心旋轉一週仍需要大約2.2億年的時間。
就完成一次環繞銀河系的運動而言，太陽系以每小時1000萬億分之五圈的速度繞銀心運行。如果河外星系中存在外星文明，並且他們可以觀測到整個銀河系，由於我們的星系旋轉得非常緩慢，以至於看起來根本就沒有旋轉。同樣地，我們觀測其他星系，也無法直接看出它們的旋轉。
由於太陽以及其他恆星環繞銀心旋轉的角速度很慢，這使得我們也看不出夜空中的恆星運動。無論我們什麼時候觀測星空，恆星的相對位置都是保持恆定的。
不過，也有例外的情況。位於6光年外的巴納德星是離太陽第四近的恆星，它的自行速度非常快。如果把巴納德星每隔五年在星空中的位置做個比較，就會發現它相對於背景星空出現了明顯的移動：
儘管如此，人的肉眼是不可能看出巴納德星的自行運動，6光年的距離還是太遠了。
雖然肉眼看不出星系的自轉，但天文學家通過對星系自轉的研究，有了意想不到的發現。理論上，越遠離星系中心的恆星繞著星系中心旋轉的速度應該越慢，這就像行星繞著恆星旋轉那樣遵循開普勒定律。然而，觀測結果非常令天文學家意外，因為恆星的公轉速度並沒有隨著距離的增加而逐漸減小，而是基本維持恆定，如下圖所示：
這是已有的理論所無法解釋的情況，因為如果星系邊緣的恆星公轉速度也很快，這些恆星就不可能會被星系束縛住，星系的結構早就會散掉。對此的解釋有兩種，一種解釋是現有的引力理論有問題，需要進行修正，修正牛頓引力理論就是一個例子。
還有一種解釋是星系中存在著一種不為人知的物質，它們並非由質子和中子構成的重子物質，這種特殊的物質可以起到引力的作用，但基本上不會發生電磁作用，所以它們無法直接用天文望遠鏡來探測，天文學家把這種物質稱為暗物質。暗物質假說更受青睞，因為還有其他證據可以支持它們的存在。
據估計，如果宇宙中存在暗物質，它們的含量是普通物質的5倍。目前的理論認為，暗物質可能是由大質量弱相互作用粒子構成，這是天文學家一直在尋找的神祕粒子。我國在2015年發射了“悟空號”暗物質粒子探測器，它的其中一個主要目標是尋找暗物質。如果能夠找到暗物質，這必將是天文學的又一里程碑。