光並不總是以直線方式傳播。正如愛因斯坦在他的廣義相對論中預測的那樣，大質量天體會使空間結構本身發生變形。當光經過這些大質量天體中的一個，如星系團，它的路徑會發生輕微的改變。這種效應被稱為引力透鏡，只在極少數情況下可見，只有最好的望遠鏡才能觀察到相關現象。
哈勃望遠鏡的靈敏度和高分辨率使它能夠看到微弱和遙遠的引力透鏡，而地面望遠鏡在拍攝圖像時受地球大氣層影響，因此無法探測到。引力透鏡導致原始星系的多個圖像，每個圖像都有一個典型的扭曲的香蕉狀形狀，甚至變成環狀。
哈勃是第一台能夠解析這些多個香蕉狀弧線內細節的望遠鏡。由於其敏銳的視覺，它可以直接揭示出光束背景星系的形狀和內部結構。通過這種方式，人們可以很容易地用眼睛來匹配來自同一背景天體的不同弧線–無論是星系，甚至是超新星。
引力透鏡可以用來“衡量”星團，因為透鏡的數量取決於星團的總質量。這大大改善了我們對星系團中“隱藏的”暗物質分佈的理解，從而也改善了對整個宇宙的理解。引力透鏡的作用也使我們向揭示暗能量的奧秘邁出了第一步。
由於引力透鏡具有類似放大鏡的功能，因此可以用它來研究早期宇宙中的遙遠星系，否則，由於它們離地球的距離太遠，不可能看到。
關於宇宙的組成的文章有更多關於哈勃在暗物質方面工作的細節：
“當我們在1995年第一次用哈勃觀測 Abell 2218 星系團時，我們主要是為了研究這個星系團和它的星系。但是我們得到了一個驚喜。圖像顯示了幾十個引力透鏡弧。當我們把這些超清晰的圖像展示給我們的同事時，他們馬上就能看到使用引力透鏡作為宇宙學工具的重要性。”
– 劍橋大學和加州理工學院天文學家Richard Ellis