人类历史上对宇宙线的探索
最初的迹象
宇宙射线的迹象在最初用游离室观测放射性时就被人们注意到了，起初曾认为验电器的残余漏电是由于空气或尘土中含有放射性物质造成的。
1903年，卢瑟福和库克研究发现，如果小心地把所有放射源移走，在验电器中每立方厘米内，每秒钟还会有大约十对离子不断产生。
1909年，莱特为了搞清这个现象的缘由，在加拿大安大略湖的冰面上重复上述实验，发现游离数略有减小。
1910年，法国沃尔夫在巴黎300米高的埃菲尔塔顶上进行实验，比较塔顶和地面两种情况下残余电离的强度，得到的结果是塔顶约为地面的64%，比预计的10%要高。他认为可能在大气上层有γ源，也可能是γ射线的吸收比预期的小。
1910-1911年，格克耳在瑞士的苏黎世让气球把电离室带到4500米高处，记录下几个不同高度的放电速率。他的结论是："辐射随高度的增加而降低的现象……比以前观测到的还要显著。"
宇宙射线的发现
奥地利物理学家赫斯设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下，电离室的壁厚足以抗一个大气压的压差。他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。
1911年，第一只气球升至1070米高，在那一高度以下，辐射与海平面差不多。翌年，他乘坐的气球升空达5350米。
1914年，德国物理学家柯尔霍斯特将气球升至9300米，游离电流竟比海平面大50倍，确证了赫斯的判断。
确认宇宙线粒子径迹
1922年，美国科学家密立根和玻恩将这些实验拿到55000英尺的高空去做，为了解决这种辐射的来源，他们先是在高山顶上测量，后来又把装有验电器和电离器的不载人的气球升到高空来测量大气的电离作用。
1925年夏，密立根和助手们在加利福尼亚州群山中的Muir湖（缪尔湖）和Arrowhead湖（慈菇湖）的深处做实验，试图通过测量电离度与湖深的变化关系来确定宇宙射线的来源。
1925年11月9日，国家科学院在威斯康星州的Madison召开会议，密立根报告了测量的结果，他的结果表明，这些射线不是起源于地球或低层大气，而是从宇宙射来的，密立根同意当时大多数人的观点，认为宇宙射线是一种高频电磁辐射，其频率远高于X射线，是后者平均频率的1000倍。
1927年，斯科别利兹利用云雾室摄得宇宙射线痕迹的照片，根据径迹在云雾室里的微小偏转，第一次确认了宇宙线粒子径迹。
1927-1929年，荷兰物理学家克莱(J.Clay,1882-1955)在从荷兰到印度尼西亚爪哇岛的旅行中，发现了纬度效应的踪迹——靠近赤道处宇宙射线强度比较低。
博思（Walther Bothe，1891-1957）提出的符合计数法是在盖革计数器的基础上发展起来的，他与盖革考察了单个的康普顿散射，得到的结论是：能量和动量守恒定律对光子和电子之间的每一次碰撞都是有效的。从此，符合法在宇宙线的研究中得到了广泛应用。
1930年前后，宇宙线领域里的一些重要发现几乎都和符合法分不开。符合法的发明也为核物理、α射线和超声波等方面的研究提供了有效工具。博思与玻恩共同分享了1954年度诺贝尔物理学奖。
本质假说
1931年秋季，在罗马召开的国际核物理会议上， 意大利物理学家罗西在分析大量实验数据的基础上提出：从海平面观察到的宇宙线，本质上是由能量非常高的带电粒子组成；从强磁场使其偏转显示的结果来看，它们的能量大约高于几十个亿电子伏，远大于密立根的估计值。这些带电粒子也许是在大气层中，由宇宙辐射源初始的高能γ辐射产生的，但这种γ辐射（即光子）的能量远远高于密立根所说的"原子构造"时释放的能量。还有第二种可能，即宇宙线中观察到的高能粒子就是最初的宇宙辐射，或者至少是它有意义的一部分。
发现正电子
1929,赵忠尧先生（安德森的师兄）已看见了正负电子对产生的效应和湮灭，虽未得到科学界的确认，但给安德森后来的研究产生了很大的启发。
1932年，C.D.安德森发现了正电子，这是宇宙射线研究的第一项引人注目的成果。
1932年8月2日，安德森在照片中发现一条奇特的径迹，这条径迹和负电子有同样的偏转度，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。
英国物理学家布莱克特从1921年起进行改进威尔逊云室照相技术以研究原子核的人工转变。1924年，他用云室照片首次成功地验证了人工轻核转变，即氦-14核俘获α粒子变为氧-17。1925年，他创制了云室照相受自动计数器控制的装置。布莱克特用他拍摄的正负电子成对产生过程的宇宙线径迹照片有力地证实了正电子的存在。
纬度效应
美国物理学家康普顿因发现康普顿效应于1927年获诺贝尔物理学奖。
1932年3月18日，康普顿开始了行程5万余英里，遍历五大洲，跨越赤道5次的远征，康普顿宣布宇宙线存在纬度效应，并认为宇宙射线是带电的高能粒子。
密立根在1932年也进行了范围较广泛的观测。
1932年12月底，美国物理学会在新泽西州大西洋城召开会议，康普顿在会议上报告：不同纬度处宇宙射线强度有明显不同，说明初始宇宙射线有带电粒子的特征，并提出了支持这种观点的三种实验。密立根在大西洋会议上宣读了内赫跨越赤道航行的测量结果，没有发现纬度效应。大多数物理学家已经开始转向承认康普顿的观点。
1935年11月11日，由两名勇敢的驾驶员Albert W. Stevens和Orvil A. Anderson驾驶探测者2号氦气球（右图）上升到官方记录的22066米的高空，收集了大气、宇宙线和其他数据。
发现缪子（轻子）
美国加利福尼亚理工学院的内德梅耶和安德森1934年提出假设：具有高度贯穿力的踪迹是质量在电子与质子之间的粒子的踪迹。当时误认为这就是传递核作用力的汤川介子，实际上张文裕先生在40年代发现缪原子（张辐射），已间接说明了它并不是核力介子，而是个比电子重的轻子。
1936年，他们在宇宙射线中发现了一种带单位正电荷或负电荷的粒子，质量为电子的206.77倍，人们以为它就是汤川秀树1930年预言的介子，称它为μ介子，后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用，是一种轻子，所以改名为μ子。
广延空气簇射
1938年，奥格尔（Pierre Auger，1899-1993）发现了广延空气簇射。簇射是由原始高能粒子撞击产生的次级亚原子粒子。他发现簇射的能量高达 1015 电子伏特，即当时已知的一千万倍。
1946年，物理学家罗西与查才品领导的小组进行了首次空气簇射结构的实验。创建了首个探测空气簇射的相关探测器阵列。
发现奇异粒子
1946年，两位英国科学家罗彻斯特和巴特勒拍了许多云雾室事件的照片，在其中一张照片中，发现了些形状象字母V的径迹。这种V粒子现在叫作K0粒子，这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。 早期的南极高空探测 1940年3月9日，一架比奇AD-17双翼飞机在海拔21050英尺高空飞越南极，为美国探险队测量宇宙线。
1947年8月16日，物理学家波默兰茨宣布放飞了4个携带宇宙线探测仪的气球，在至少127000英尺的高度越过了南极地区。
发现π介子
1947年，英国的鲍威尔等人创造了将核乳胶用气球送到高层空间去记录宇宙线的方法，在玻利维亚安第斯山地区从宇宙射线中发现了汤川秀树1930年所预言的π介子，质量约为电子质量273倍，它与原子核之间有很强的相互作用，称为带电π介子。
汤川秀树与鲍威尔分别于1949年和1950年获得诺贝尔物理学奖。
早期宇宙起源研究
1948 年，剑桥大学的天文学教授霍伊尔与邦迪（Hermann Bondi ）、戈尔德一起提出了"稳恒态宇宙理论"，该理论认为宇宙在大尺度上，包括任何时候和任何地方，都是一样的。
1948年，伽莫夫和阿尔法也提出了宇宙是从一个原始高密状态演化而来的理论，这一理论被称作αβγ理论，霍伊尔在1952 年把它称为"大爆炸理论"，但他认为宇宙不会在一声爆炸中产生。
1949年，费米发表宇宙射线理论，尝试以超新星爆发的磁力冲击波来解释宇宙射线的粒子加速机制，但未足以解释最高能宇宙射线的存在。
1962年，美国麻省理工学院的林斯里与同事，利用新墨西哥州火山农场10平方公里的空气簇射探测器组探测到一个能量估计为 1020 电子伏特的宇宙射线。
宇宙微波背景辐射
1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊无意中发现了大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射。
1966年，格雷森、查才品和古兹文认为，高能宇宙线与微波背景辐射相互影响减小了能量，因此宇宙射线的能量应低于5 x 1019电子伏特。