Tarih boyunca kuyruklu yıldızların gökyüzünde aniden belirmesi, insanlar arasında korku ve merak uyandırmıştır. Gökyüzünde uzun ve parlak bir kuyrukla beliren bu cisimler, pek çok kültürde savaşların, salgın hastalıkların ya da hükümdarların ölümünün habercisi olarak görülmüştür. 1066 yılında İngiltere'nin Normanlar tarafından fethedilmesini anlatan ünlü bir nakışlı duvar örtüsünde de gökyüzünde beliren bir kuyruklu yıldız tasvir edilmiştir. Kuyruklu yıldızların gerçek doğasının anlaşılması ise ancak bilimsel gözlemler ve uzay araştırmalarıyla mümkün olmuştur.

Uzun süre kuyruklu yıldızların atmosferde meydana gelen olaylar olduğu düşünüldü. On altıncı yüzyılda Danimarkalı gökbilimci Tycho Brahe, 1577 yılında görülen parlak bir kuyruklu yıldızı farklı yerlerden yapılan gözlemlerle karşılaştırarak, bu cismin Ay'dan çok daha uzakta olduğunu gösterdi. Bu bulgu, kuyruklu yıldızların atmosferik olaylar değil, uzayda dolaşan gök cisimleri olduğunu kanıtlıyordu. Daha sonra Edmond Halley, Newton'ın kütle çekimi yasasını kullanarak bazı kuyruklu yıldızların Güneş'in çevresinde düzenli yörüngelerde döndüğünü ve belirli aralıklarla geri geldiğini gösterdi.

Bir kuyruklu yıldızın kalbi, çekirdek adı verilen ve genellikle birkaç kilometre çapında olan katı bir cisimdir. Amerikalı gökbilimci Fred Whipple, ellili yıllarda bu çekirdeğin donmuş gazlar, su buzu, toz ve kaya parçalarından oluştuğunu öne sürdü. Whipple'ın kirli kar topu olarak tanımladığı bu model, sonraki uzay görevleriyle büyük ölçüde doğrulandı. Ancak bu görevler, kuyruklu yıldız çekirdeklerinin sanıldığından çok daha karanlık olduğunu da gösterdi. Çekirdeklerin yüzeyi, kömürden bile daha koyu bir tabakayla kaplıdır.

Kuyruklu yıldızlar, yörüngelerinin büyük bölümünü Güneş'ten çok uzaktaki soğuk bölgelerde geçirir. Bu bölgelerde çekirdekler donmuş ve etkisiz durumdadır. Bir kuyruklu yıldız Güneş'e yaklaştıkça ise ısınmaya başlar. Yüzeyindeki donmuş gazlar sıvı hâle geçmeden doğrudan gaz hâline geçer ve çekirdeğin çevresinde koma adı verilen geniş bir gaz ve toz bulutu oluşur. Koma, çekirdeğin kendisinden çok daha büyük olabilir ve bazen Güneş'ten bile daha geniş bir alana yayılabilir.

Kuyruklu yıldızların en dikkat çekici özelliği olan kuyruklar da Güneş'in etkisiyle oluşur. Bir kuyruklu yıldızın genellikle iki ayrı kuyruğu vardır. Toz kuyruğu, güneş ışığının basıncıyla itilen toz parçacıklarından oluşur ve hafifçe kıvrık bir biçime sahiptir. İyon kuyruğu ise güneş rüzgârının etkisiyle itilen elektrik yüklü gaz parçacıklarından oluşur ve daha düz ve mavimsi görünür. İlginç biçimde kuyruklar, kuyruklu yıldızın hareket yönünün tersine değil, her zaman Güneş'in tersi yönüne doğru uzanır. Bu nedenle kuyruklu yıldız Güneş'ten uzaklaşırken kuyruğu önünde gider.

Kuyruklu yıldızlar, geldikleri bölgelere göre iki gruba ayrılır. Kısa dönemli kuyruklu yıldızlar, Güneş'in çevresindeki bir turunu iki yüz yıldan kısa bir sürede tamamlar. Bunların büyük bölümünün, Neptün'ün ötesindeki Kuiper kuşağından geldiği düşünülür. Uzun dönemli kuyruklu yıldızlar ise yüzlerce, hatta milyonlarca yıl süren yörüngelere sahiptir. Bu kuyruklu yıldızların, Güneş Sistemi'nin en dış bölgelerini küresel bir kabuk gibi saran ve Oort bulutu adı verilen varsayımsal bir bölgeden geldiği düşünülmektedir.

Kuyruklu yıldızlar, bilim insanları için son derece değerli bilgi kaynaklarıdır. Bu cisimler, Güneş Sistemi'nin oluşumundan arta kalan ve milyarlarca yıl boyunca soğuk bölgelerde büyük ölçüde değişmeden korunmuş maddelerden oluşur. Bu nedenle kuyruklu yıldızları incelemek, Güneş Sistemi'nin ilk dönemlerindeki koşulları anlamamıza yardımcı olur. Bazı bilim insanları, genç Dünya'ya çarpan kuyruklu yıldızların okyanuslardaki suyun ve yaşamın yapı taşlarının bir kısmını getirmiş olabileceğini düşünmektedir; ancak bu görüş tartışmalıdır.

Uzay araçları, kuyruklu yıldızları yakından inceleme olanağı sağlamıştır. Seksenli yıllarda Halley kuyruklu yıldızının çekirdeği ilk kez yakından fotoğraflandı. 2014 yılında ise bir Avrupa uzay aracı, bir kuyruklu yıldızın çevresinde yörüngeye girerek onu yaklaşık iki yıl boyunca inceledi ve yüzeyine küçük bir iniş aracı indirdi. Bu görev, kuyruklu yıldızların yapısı ve bileşimi hakkında çok sayıda yeni bilgi sağladı. Kuyruklu yıldızın üzerinde organik moleküller tespit edildi.

Kuyruklu yıldızlar, Dünya ile ilginç bir bağlantıya da sahiptir. Her yıl belirli dönemlerde gözlemlenen meteor yağmurları, Dünya'nın bir kuyruklu yıldızın yörüngesinde bıraktığı toz parçacıklarının arasından geçmesiyle oluşur. Bu küçük parçacıklar atmosfere girerken yanarak gökyüzünde parlak çizgiler oluşturur. Ağustos ayında gözlemlenen ünlü meteor yağmuru, böyle bir kuyruklu yıldızın kalıntılarından kaynaklanır.

Bir zamanlar uğursuzluk habercisi olarak görülen kuyruklu yıldızlar, bugün Güneş Sistemi'nin geçmişine açılan pencereler olarak değerlendirilmektedir. Bu buzlu gezginler, milyarlarca yıl önceki oluşum dönemimizin sessiz tanıkları olarak gökyüzündeki yolculuklarını sürdürmektedir.