巡天空間望遠鏡會幫助我們探索一些宇宙的基本問題，例如：宇宙由什麼物質構成，結構是什麼樣的，又是如何演化的？從地球上的常識來看，世界當然是由原子物質構成的。原子包含原子核和電子，原子核又由中子和質子構成。原子的組合體構成了我們生活的豐富多彩的世界。但從宇宙的尺度上來看，暗能量和暗物質才是宇宙最主要的組成部分。暗能量占據宇宙質能總量的70%左右，它的能量密度被認為在宇宙處處相同（或者極其接近相同）。在人類日常生活的尺度上暗能量完全沒有任何可觀測的影響，但它被認為是驅動宇宙加速膨脹的原因。暗物質占據宇宙質能組成的26%左右，是原子物質的5倍以上，主導著宇宙的結構形成。暗物質相互之間有引力相互作用，可以聚集稱作暗暈的團塊，而星系就形成在暗暈中，也被包裹在暗暈中。
這兩種奇異的宇宙組分都不會發光，天文學家需要通過它們的引力效應來探索它們。引力透鏡是這些方法中最重要的一種。在這類研究中，天文學家需要測量遙遠宇宙中的星系形態。這些星系發出的光線在穿過宇宙空間的時候，會因為宇宙空間中物質（以暗物質為主）的引力作用發生微微的扭曲。天文學家通過測量海量的遙遠星系形態，可以從中重建出宇宙暗物質的分布地圖。
巡天空間望遠鏡的20億高清晰星系圖像極為適合做這樣的工作，和這一課題相關的儀器指標可以說是在下一代空間望遠鏡中領先的。利用巡天空間望遠鏡的星系圖像，天文學家可以測繪170億光年範圍內的暗物質分布地圖。因為光速是有限的，對遙遠宇宙的觀測實際上對應對宇宙早期的觀測。考慮到這一點，巡天空間望遠鏡的引力透鏡分析實際上還帶給我們宇宙結構隨時間的演化，幫助我們確定宇宙的膨脹歷史，進而探索暗能量的性質是否隨時間流逝而變化。
在某些特殊的情況下，遙遠的星系會和前景的星系在觀測者視線方向上重合，這種巧合出現的天體構型會產生更為強烈的引力透鏡效應，在有些情況下背景天體甚至會被扭曲成環形，這常被稱作“愛因斯坦環”。愛因斯坦環在研究小尺度暗物質分布方面具有特殊的作用，提供幾種對暗物質本質研究的重要檢驗。在哈勃望遠鏡歷史上的觀測中，總共只觀測了幾十個漂亮的愛因斯坦環。而巡天空間望遠鏡只需要1至2個月就可以拍攝到同樣數量的愛因斯坦環。這就是巡天空間望遠鏡寬廣視場帶來的巨大優勢。
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