冥王星和柯伊伯带的发现过程十分艰难，是象征人类探索精神的重要事件之一。自1846年，海王星被首次发现以来，科学家一直在努力寻找新的海外行星（即海王星外的行星）。冥王星的质量仅有地球的0.21%，其质量不足于影响海王星的轨道，因此基本不可能根据天体力学的方法计算冥王星的轨道，大量的轨道计算后来被证明无一中的。由于无法预测冥王星可能经过的天区，大量的实际观测也无功而返。
直到1930年，年仅24岁的农家少年、罗威尔天文台新招聘的观测助理汤博，在寒冷的亚利桑那州高原上经过8个月艰苦的巡天式观测和仔细比对后（搜索会运动的天体是发现新行星的重要手段之一。因此，需要大量比对不同时间拍摄的照片，以发现运动的天体，但变星和彗星经常干扰这种比对工作。），首次发现了冥王星。这是首次由美国天文学家利用美国的观测设备发现的新行星，是标志世界科学中心从欧洲大陆转移到美国的重要事件之一，美国人对此充满自豪，亲切地称冥王星为“美国行星”。
1978年，在冥王星的附近发现了冥卫一（卡戎，其质心实际上落在两个天体之外，因此并非真正绕冥王星公转。且两者质量相差不大，因此不能被视为冥卫，而是矮行星，与冥王星组成双矮行星系统。）。而冥王星和卡戎所处的太阳系外缘一直被认为是空空荡荡的，没有其他大型天体。1987年，当时在麻省理工学院工作的天文学家大卫 朱维特不相信太阳系外围居然如此空旷。他和当时的研究生刘丽杏，经过对这一区域连续五年的观测，终于在1992年8月30日发现除冥王星和卡戎外的第一个柯伊伯带天体——直径250千米的小行星15760，半年后又发现第二个天体(181708) 1993 FW，从而证实柯伊伯带的存在。两人因发现柯伊伯带天体的贡献而获2012年度邵逸夫天文奖。现在我们知道，柯伊伯带是位于海王星轨道以远黄道面附近、散布着大量冰冻小天体的环形区域，是太阳系里的“冷库”。
冥王星直径2301千米，是柯伊伯带的主要天体，一直以来都被认为是太阳系九大行星之一。冥王星的轨道是一个非常扁的椭圆，远日点约为74亿千米，近日点为44亿千米，与太阳的平均距离约为59亿千米，是日地平均距离的40倍，绕太阳一圈需要漫长的248年。但从体积上，冥王星却是围绕太阳旋转的第十大天体。这是因为米高 布朗等三位天文学家2005年7月发现了太阳系中最大的矮行星、直径2326 12千米的阋神星（Eris）。阋神星质量约为地球质量的0.27%，比冥王星重约27%。它距离太阳97个天文单位，公转周期为557年，位于比柯伊伯带更远的太阳系离散盘，不属于柯伊伯带天体。除了阋神星，他们同时还发现了鸟神星。2天后发现妊神星。至此，柯伊伯带至少有冥王星、鸟神星、妊神星三颗矮行星。同一年，还发现了冥王星的两颗卫星冥卫二（Nix）和冥卫三（Hydra）；2011年和2012年，先后发现冥卫四（Kerberos）和冥卫五（Styx）。除此之外，海王星外的大型天体还包括赛德娜、小行星225088、创神星、亡神星等。
由于阋神星的体积比冥王星大，曾经被考虑接纳成为太阳系的第十颗行星。现在柯伊伯带发现的天体数量已经超过1000个，实际的天体数量可能超过十万个，而且有一些是与冥王星大小相近的天体。如果全部接纳为行星的话，太阳系的行星家族将不断扩大；如果不接纳，天文学家就不得不对行星的定义做出明确界定。
2006年8月，国际天文联合会第26届大会通过第5号决议，更改了行星的定义：行星是绕恒星运转、质量足够大使之成球体、不是卫星的天体，必须具有清除轨道区域内大小相当天体的能力。柯伊伯带的这些天体虽然绕太阳运转、体积和质量较大而成球体，也不是行星的卫星，但由于不具有清空其轨道区域的能力，不能称为行星。行星的定义要求其质量在其轨道区域所有天体中占绝对优势，其清空轨道的能力和程度均比矮行星高5个数量级以上。冥王星由此被降级为矮行星，我们从小所熟知的太阳系九大行星被改写为八大行星。2008年，国际天文联合会再度将冥王星划分为类冥矮行星。从此，冥王星慢慢淡出公众视线，现在冥王星的正式名称是134340号小行星。