Vera Rubin realizou seus estudos de graduação na Vassar College, e tentou se matricular no programa de pós-graduação de Princeton, mas nunca obteve resposta, pois esta universidade não aceitava mulheres em seu programa de pós-graduação até os anos 1975.
Completou seus estudos em 1951, durante os quais fez a primeira observação de desvios do fluxo de Hubble no movimento de galáxias, argumentando que estas galáxias poderiam ter um movimento de rotação ao redor de centros gravitacionais desconhecidos, e não estarem se afastando apenas. A apresentação destas ideias não foi bem recebida. Vera Rubin realizou seu doutorado na Universidade de Georgetown, sob orientação de George Gamow. Em sua tese, defendida em 1954, concluiu que as galáxias se aglomeravam, ao invés de se distribuírem aleatoriamente no universo. A ideia da existência de aglomerados de galáxias não foi levada a sério por outros pesquisadores até duas décadas depois.
Após sua formação, Rubin lecionou em Montgomery County Junior College, tendo trabalhado também na Universidade de Georgetown como pesquisadora assistente, e em 1962 tornou-se professora assistente. Além disso, em 1965, ela se tornou a primeira mulher com permissão para usar os instrumentos do Observatório Palomar. Antes disso, as mulheres não eram autorizadas a acessar essas instalações. Rubin foi membro sênior do DTM, Departament of Terrestrial Magnetism na Carnegie Institution of Washington, trabalhando na área de Dinâmica Galática e Extragalática.
Por volta de 1970, Vera Rubin realizou observações bastante precisas da velocidade de rotação das regiões externas da galáxia de Andrômeda e de outras. Com isso, descobriu a discrepância entre o movimento angular previsto de galáxias e o movimento observado. Esse fenômeno ficou conhecido como o problema de rotação das galáxias e seus cálculos mostraram que as galáxias devem conter uma quantidade significativa de matéria escura.