大多数银河系宇宙射线的能量在100兆电子伏特至10吉电子伏特。能量超过1吉电子伏特的宇宙射线的数目随能量每增加一个数量级会减少50倍。观测到的宇宙射线的最高能量已经超过了10²⁰电子伏特。大多数银河系宇宙射线是在超新星爆发（在银河系中大约每50年发生一次）中被加速的。宇宙射线是被由超新星爆发在周围的星际气体中运动是所产生的激波加速的。

宇宙射线基本上包括元素周期表中的所有元素：约89％的原子核是氢（质子），约10%为氦和约1%的重元素。常见的重元素（如碳、氮、氧、镁、硅、铁）与太阳系（日球层）中的相对丰度大致相同，但有些元素和同位素组成存在着显著差异，这为了解银河宇宙线的起源和传播提供了信息。例如，轻元素(锂、铍、硼)和周期表中铁元素的丰度特别高，这是银河宇宙线中的较重元素(碳、氮、氧)和铁与星际气体相互作用，发生核反应的结果。另外，银河宇宙线中²²Ne比较丰富，²²Ne/²⁰Ne为0.49，约为太阳系的值的4倍。²²Ne是碳、氮、氧、氦的核燃烧产物，而²⁰Ne像太阳系那样是碳核燃烧的产物。这说明²²Ne的来源可能是超新星爆发的产物。

当核子动能低于10¹⁰电子伏特时，太阳调制作用十分明显。太阳调制使宇宙线的动能谱偏离幂律谱，当核子动能低于10⁹电子伏特时，会出现一较宽的峰，当强度降低至核子动能约3×10⁷电子伏特处，又重新回升。这部分低能宇宙线，有一部分是由太阳或行星际起源的，已不属于银河宇宙线。

宇宙线的高能部分起源于银河系，它的能谱可以表达为动能E的幂律谱E^-γ，谱指数γ是动能的函数。表中列出的一些测量结果，其中在E≧10¹⁵电子伏特能谱变陡，E≧10¹⁹电子伏特能谱又变坦，变化非常显著。动能大于10⁹～10¹⁰电子伏特的宇宙线粒子的积分全向通量为2～4粒子／（厘米²·秒）。现在测量到的宇宙线的能量已经高达1.5×10²⁰电子伏特，并且还没有迹象表明它会有截止的最高能量。但是这时粒子的积分方向通量已经降低到5粒子／（厘米²·球面度·世纪），观测就非常困难。这部分能量极高的粒子可能是从河外射电星系来的。

利用上述元素的丰度比可以求出银河宇宙线穿越星际介质所经历的路程。能量增高，穿越路程也有所减小。银河宇宙线的动能谱幂指数也随电荷数Z的增大而减小。射电天文探测发现的3开尔文微波辐射背景，是相对论能量电子在银河系磁场作用下所激发的同步加速辐射。在10⁵～2×10⁷电子伏特能量范围，所探测到的电子主要是宇宙线核成分碰撞星际气体所形成的撞击电子，也包括一部分行星（如木星）电子。在10⁷～10⁹电子伏特能量范围，电子受太阳调制影响，观测资料较为分散。这部分电子包括相当多的由银河宇宙线核成分与星际介质作用而产生的正负电子。其中正电子约占全部电子总数的0.4～0.1，随能量增大而降低。这段能谱较平坦，出现坪区现象，并非完全是太阳调制所引起的。根据核乳胶的测量，在更高能量3×10¹⁰～10¹²电子伏特，电子的微分方向动能谱可用统一的幂律谱来表示。在10¹²电子伏以上的能谱还有待测定。

　当能量E处于约小于10¹⁰电子伏特的较低能量时，宇宙线有明显受太阳和行星际磁场控制的各向异性。在当能量E处于10¹¹～10¹⁴电子伏能量范围，宇宙线的各向异性很小，约小于0.08％，其大小和相位均不随能量而变。在能量E约大于10¹⁵电子伏特，各向异性随能量而增大，其相位也发生变化。在此能量，宇宙线核成分的能谱也变陡。所以极高能宇宙线粒子可能起源于河外星系。