至於直接探測，更是歷盡艱辛。1960年代，美國馬里蘭大學的韋伯（Joseph Weber）製造鋁質實心圓柱「共振質量探測器」是第一架實際投入應用的重力波探測器，但是效果並不理想。
多年來，地面與太空的天文望遠鏡則是聚焦宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background，CMB），試圖察覺重力波的效應。
2014年3月17日，哈佛─史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）的天文學家宣布利用位於南極的「第二代宇宙泛星系偏振背景成像」（BICEP2）探測器，在CMB中觀測到重力波效應，但後來的分析驗證無法排除星際塵埃的可能。
另一種方法是觀測物體之間距離極細微的變化。重力波通過物體時，在其行進方向，會造成物體的伸展與擠壓。LIGO與其位於義大利的姊妹探測器「VIRGO」就是要探測這種效應。
1991年，麻省理工學院（MIT）與加州理工學院（Caltech）在美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）的資助下開始建設LIGO。其主要部分是兩個互相垂直的長臂，每個臂長4000公尺，臂的末端懸掛著反射鏡，大功率雷射束在臂中來回反射大約50次，使等效臂長大大增加，形成干涉條紋。重力波會造成光程差發生變化，導致干涉條紋發生移動。
為了消除地震對系統帶來的干擾，LIGO光學裝置安裝在結構複雜的防振台上。為降低空氣分子熱運動的影響，內部抽成10的負12次方大氣壓的真空。此外LIGO還在路易斯安那州和華盛頓州建造兩個相同的探測器，彼此相距3000公里，只有兩個探測器同時接收到的資訊，才有可能是重力波的信號。
去年12月3日，個歐洲太空總署（ESA）的「雷射干涉太空天線開路者號」（LISA Pathfinder）發射升空，為ESA的「雷演化雷射干涉太空天線」（Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA）進行開路工作。eLISA就是一座重力波天文台，預計2034年發射升空。
