宇宙中的星系大致有三种：有旋臂的旋涡星系，无旋臂的椭圆星系以及形态各异的不规则星系。

如果对比三种星系，会发现最显著的区别是在不规则星系和旋涡星系中，有大量正在孵化出新恒星的气体云分布，星系中的恒星平均年龄较为年轻，而椭圆星系中的恒星不同于漩涡星系的恒星绕核心公转运动，只有少许的不规则运动，椭圆星系中只有少许的星际物质，年轻的恒星很少，疏散星团数量也不多，恒星多是年老的，属于只含有少量的金属元素的第二星族恒星。

对于像银河系这样的旋涡星系中旋臂以及棒结构的成因，目前还没有非常确定的结论。

最早研究旋臂的天文学家意识到由于星系盘面的角速度随距离星系中心的距离而不同，当星系旋转时，旋臂会迅速弯曲，在自转几圈之后，螺旋臂就会紧密的缠绕在一起，所以旋臂上的恒星不可能是同步旋转的，必然存在其他机制。目前关于旋涡星系中螺旋结构起源的理论中最主要的就是密度波理论。

这种理论认为，旋臂存在的区域密度增强，恒星和气体运动速度相比星系盘中物质较稀疏区域慢的区域更慢。在引力作用下，密度随着气体的进入而增强，星际介质受到挤压加速诞生新的恒星，其中那些生命周期较短的蓝色巨星使得螺旋臂较为明亮。

目前被广泛接受的旋臂结构理论是华人天文学家林家翘和徐遐生提出的密度波理论。他们认为旋臂是旋转的密度波表现，假设旋涡星系中恒星绕星系核旋转的轨道呈椭圆形，椭圆方向的变化随着与星系中心距离的增加而平稳的变化，就像上图所示，很显然，恒星的椭圆轨道在某些区域靠在一起产生了螺旋的效果。恒星不是停留在旋臂上，而是在绕行时在它们的轨道位置上通过螺旋臂。

另外，星系的碰撞与合并在宇宙中也是普遍现象，观察这些星系合并就能发现，在合并过程中，两个交错而过的星系产生的引力潮汐尾巴或者物质桥也会形成类似旋臂的物质分布，这些相互作用产生的结构也许也是旋臂结构存在的成因之一。