2011年的模拟研究表明，银河系可能通过和人马座矮椭圆星系的重复碰撞作用，形成了其螺旋臂结构。银河系可能包含两种不同的螺旋模式：一种是由人马臂形成的内螺旋，旋转较快；另一种是由船底臂和仙女臂形成的外螺旋，旋转速度较慢且臂较紧密。根据不同螺旋臂动力学的数值模拟，这一情景表明，外部模式将形成一个外伪环，而这两种模式将通过天鹅臂相连。
在主要旋臂之外还存在一个外环，可能是数十亿年前从其他星系撕裂得到的气体和恒星所组成的环，然而该观点存在争议，也有理论认为外环是银河系膨胀和扭曲的厚盘所产生的一个过密度结构，而银河系盘的结构沿着S曲线扭曲。
3.1.3 银晕和银冕：银河盘由一个球状晕层围绕，称作银晕。晕层中包含许多古老的恒星和球状星团，其中90%位于距银心30 kpc（约10万光年）以内，然而也有一些球状星团被发现位于更远的地方，比如位于距银心20万光年以上的pAL 4和Am 1。此外约40%的银河系球状星团处于逆行轨道上，即运动方向与银河系旋转方向相反，这些球状星团可以沿着银河系进行玫瑰状轨道运动，与行星绕恒星的椭圆轨道不同。
银晕之外还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为银冕，至少延伸到距银心32万光年远。
尽管盘中含有遮挡部分波长观测的尘埃，但银晕部分并没有这种遮挡。恒星形成活动主要发生在盘内（尤其是高密度的旋臂区域），但在银晕中并没有发生恒星形成活动，因为这里几乎没有足够冷的气体能够坍缩形成恒星，而疏散星团也主要位于银河盘内。
21世纪初，随着发现仙女座大星云m31的盘状结构远超预期和认知，银河系盘状结构延伸到更远处的可能性也在增加。天鹅座臂的延伸和半人马矮椭圆星系的发现，更加支持这种扩展的观点。斯隆数字巡天对北天球的观测显示，银河系中还存在一个巨大而弥漫的结构，分布面积约为满月大小的5000倍，但这种结构似乎无法融入现有的理论模型——该结构被命名为室女座星流，距太阳系约9kpc（约3万光年），它几乎垂直于银河系旋臂的盘面升起，一种可能的解释是，它是一个正在与银河系合并的矮星系遗迹。
银晕除了恒星晕的部分外，钱德拉x射线天文台等还提供了观测证据，证明银河系还拥有一个包含大量高温气体的气体晕，在100~250万开尔文，它的延伸范围远远超过恒星晕，几乎抵达大、小麦哲伦云。这个高温气体晕质量几乎与整个银河系旗鼓相当。
对遥远星系的观测表明，在宇宙形成的几十亿年后，普通重子物质的含量仅为暗物质的六分之一，然而根据对像银河系这样的邻近星系的观测，现代的可观测宇宙中只有大约一半的重子物质得到了确认。因此，如果气体晕的质量确实与银河系质量相当，这可能就是银河系周围重子物质缺失的原因。
2017年，国家天文台研究人员利用LAmoSt观测的晕族红巨星，直接绘制出银河系40 kpc内的三维剖面图，从而揭示出恒星晕的复杂构成——内部呈扁球形，外部则逐渐变成球形。恒星数密度则按照单一幂律形式由内向外减少。
2019年8月，华夏科学院国家天文台利用LAmoSt dR5中K巨星的三维位置和三维速度，在银河晕中找到40余组子结构，包含近2000颗恒星。其中包括大量的人马座星流、麒麟座星环、室女座致密区、孤儿星流等银晕中已知子结构和其他未知子结构的成员星，并第一次给出了银河系晕中大样本子结构的六维参数信息。这些信息更加精确地展现出银河系现在的结构以及其过去的吸积历史。通常星系在发生吸积并合时，会在其周围的空间（晕）中留下原星系的残骸，例如星流、致密区、壳层等子结构。
目前对于这些子结构的恒星六维信息巡天，主要有LAmoSt和Gaia的研究内容，此前已经归类发现，子结构中的晕星，成团性在位置和速度空间上明显区别于本地晕星。
3.1.4 翘曲：2019年，华夏科学院国家天文台陈孝钿、邓李才研究组和北京大学王舒研究组基于经典造父变星构建了一个稳健的银河系盘模型，给出了银河系翘曲结构的直观三维地图。造父变星是一类中等质量的年轻脉动变星，比太阳重3~20倍，亮约几万倍。由于它们的脉动周期和光度严格相关，因此可以精确测定距离，精度可达3%~5%。
科学家研究发现距离银河系中心越远，造父变星就越偏离银盘面，整体呈S型；