最早的仙女座星系觀測紀錄可能出自波斯的天文學家阿尔苏飞，他在《恒星》一书中描述它是「小雲」，星圖上的標記在那個時代也是「小雲」。第一個以望遠鏡進行觀測和記錄是德国天文学家西門·馬里烏斯[7]，時為1612年，说它状如牛角管中所见的烛光。在1764年梅西耶將他編目為M31，並誤以為西門·馬里烏斯是發現者，卻未察覺阿尔苏飞在更加早期的工作。在1785年，天文學家威廉·赫歇爾注意到在星系的核心區域有偏紅色的雜色，使他相信這是所有星雲中最靠近的「大星雲」，並依據星雲的顏色和亮度估計（並不正確）距離應在天狼星的2,000倍之內。[8]
几个世纪以来，天文学家都认为它是银河系内的一个天体，所以才误称之为仙女星云，把它当成是我们所在的星系内的、类似于其他发光气体物质的旋涡星云。直至20世纪20年代，美国天文学家哈伯才最终确定仙女座星系事实上是银河系之外的分立的星系。
威廉·哈金斯在1864年觀察仙女座星系的光譜，注意到與氣體星雲不同。[9]仙女座星系的光譜是在頻率上連續的連續光譜上疊加上了暗線，很像是單獨的一顆恆星，因此他推論仙女座星系具有恆星的本質。
在1885年，一顆超新星出現在仙女座星系（現在知道是仙女座S），這是第一次看見如此遙遠星系中的恆星。在當時，它的亮度被低估了，只被認為是一顆新星，因此稱為1885新星。
以撒·羅伯斯拍攝的仙女座大星雲。
這個星系的第一張照片是以撒·羅伯斯於1887年在英國薩塞克斯郡的私人天文台拍攝的。長時間的曝光使世人第一次看見她的螺旋結構。[10]可是，在當時這類被認為星雲的物體，一般都相信是在我們銀河系內的天體，羅伯斯也錯誤的相信M31和類似的螺旋星雲實際上都是正在形成的太陽系、衛星和誕生中的行星。
M31相對於太陽系的徑向速度在1912年被維斯托·斯里弗在羅威爾天文台使用光譜儀測量出來。相對於太陽系的速度是每秒-300公里，這結果是當時最快的速度記錄[11]。
「島宇宙」假說
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仙女座星系 (M31) 在仙女座中的位置。
早在1755年，德國哲學家伊曼努尔·康德在其著作《自然通史與天體理論》(Universal Natural History and Theory of the Heavens)中就提出了銀河系只是眾多星系之一的假說。 他認為像銀河系這樣的結構從上面看像一個圓形星雲，從某個角度看像一個橢圓形星雲，他得出的結論是，觀測到的像仙女座這樣的橢圓形星雲（當時無法用其他方式解釋）確實是星系類似銀河系[12]。
在1917年，希伯·柯蒂斯觀測到M31內的一顆新星，搜尋照相的記錄又找到了11顆。柯蒂斯注意到這些新星的平均光度約為10等，遠低於發生在銀河系內的星等。這一結果使估計的距離提高至500,000光年，也是他成為「島宇宙」假說的擁護者。此一假說認為螺旋星雲也是獨立的星系[13]。
在1920年，發生了哈洛·夏普利和希伯·柯蒂斯之間的大辯論，就銀河系、螺旋星雲、和宇宙的尺度進行辯論。為了支持他所聲稱的M31是外在的星系，柯蒂斯提出我們自己的銀河系也有塵埃雲造成類似的黑色小道，並且有明顯的都卜勒位移。
1925年，哈伯首次在星系的照片上辨認出了銀河系外的造父變星後，辯論便逐漸平息。這些使用2.5公尺反射鏡拍攝的照片，使M31的距離得以被確認。他的測量決定性的證實這些恆星和氣體不在銀河系之內，而整體都是和銀河系有極大距離的一個星系[14]。
這個星系在星系的研究中扮演著一個重要的角色，因為它雖然不是最近的星系，卻是距離最近的一個巨大螺旋星系。在1943年，沃爾特·巴德是第一位將仙女座星系核心區域的恆星解析出來的人，基於他對這個星系的觀測，他分辨出兩種不同星族的恆星，他稱呼在星系盤中年輕的、高速運動的恆星為第一星族，在核球年老的、偏紅色的是第二星族，這個命名的原則隨後也被引用在我們的銀河系內，以及其他的各種場合。（恆星分為二個星族的現象歐特在此之前就注意到了。）[15]巴德博士也發現造父變星有兩種不同的型態，使得對M31的距離估計又增加了一倍，也對其餘的宇宙產生影響。
仙女座星系的第一張無線電圖是在1950年代由約翰·鮑德溫和劍橋無線電天文小組合作共同完成的。在2C星表無線電天文目錄上，仙女座星系的核心被編目為2C 56。