其大尺度规则磁场与银河系的旋臂结构相关联，小尺度磁场结构与星际介质中的湍流和其他物理过程紧密相关。

磁场贯穿星际介质中所有空间并冻结于星际气体中，随星际气体一起运动。当弥漫星际介质集结和冷却形成分子云时，磁场随气体的密度增加而增强。分子云内特别是云核区域的磁场能够对抗气体云团的引力，阻止气体的引力坍缩，因此磁场成为恒星形成区的重要物理因素。星际空间中不规则形态的尘埃颗粒一旦有一点点磁敏感的分子，就会感应星际磁场使尘埃颗粒长轴垂直于磁场排列。重新排列的尘埃颗粒会使得远处的恒星星光穿过星际介质时，在尘埃颗粒长轴方向有选择地多吸收一点光，产生少许（仅几个百分点）的消光偏振。大量星光偏振观测数据显示银河系盘内的磁场是沿银道面分布的。这些重新排列的尘埃在红外、毫米和亚毫米波段发出偏振的热辐射。由威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星和普朗克卫星观测宇宙微波背景时得到的全天偏振图可以看出，银河系盘里的磁场是沿银道面分布的。

银河系的弥漫射电辐射是由宇宙线中的相对论宇宙线粒子在银河系磁场中加速回旋产生的同步辐射，其偏振方向与辐射区域的磁场方向是垂直的。因此，如果测量了同步辐射的偏振强度和偏振方向，可以揭示磁场的空间取向并估计磁场强度。当带电荷的宇宙线在星际空间传播时，磁场对宇宙线高能粒子产生洛伦兹力，使宇宙线偏离原先的传播方向。因此，银河系磁场是宇宙线起源和传播研究不可缺少的基本要素。

因为星际磁场的存在，星际空间原子和分子气体产生的辐射线或吸收线会观测到塞曼分裂现象。从塞曼分裂后的谱线间距和偏振特性能够揭示该区域磁场的强度和方向。测量一般针对密度较高的分子云团和密度非常高的脉泽辐射云块。

银河系磁场与星际空间中有弥漫分布热电子一起，使射电源的偏振电磁波在介质中传播时会发生法拉第旋转现象。观测到的法拉第旋转为：

式中为法拉第旋率，代表偏振位置角旋转量随波长平方的变化率，单位弧度·米^-2（rad·m^-2）；为磁场，单位微高斯（μG）；为电子密度，单位厘米^-3（cm^-3）；为路径距离单元，单位秒差距（pc）。同一个天区很多个外射电源的法拉第旋转测量值的共同贡献是来自银河系边缘到地球的贡献。因此全天射电源的平均法拉第旋转测量值的反对称分布已经被用于推断银河系晕中有上下对称但方向相反的环形磁场，并认为可能是银河系尺度的A0型发动机运行的结果。

全天射电源的法拉第旋率分布

实心圆圈表示，表明磁场朝向我们。在内银河的高银纬区域，法拉第旋率对银道面和银心子午线呈反对称分布，显示银晕里的磁场如图右。

银河系盘中磁场结构是用脉冲星的法拉第旋转分布以及银盘背后的河外射电源分布揭示出来的。脉冲星的脉冲在不同观测频率的延时恰好能够测量星际热电子的总和：

观测了脉冲星的和，可以很容易地推算路径上的平均磁场。因此，众多脉冲星成为探测星际介质磁场的最佳探测器。对于方向几乎相同的两颗脉冲星而言，它们之间的磁场可以从和数值差别的解出：

因此，用大量脉冲星测量可以相当直接地探测银河系三维磁场结构。已经观测的大量背景射电源以及脉冲星的测量数据表明：银河系的旋臂上磁场基本上是沿着旋臂但方向是逆时针方向；在银河系的旋臂之间，磁场基本上是顺时针方向。磁场的强度大约在几个微高斯，并且往银心方向有增强的趋势。

在银河系中心，射电观测揭示的纤维结构是垂直于银道面的极向磁场的直接证据。但是极向磁场究竟多强，磁场的分布是弥漫的、还是仅限在射电纤维结构，这些疑问尚未清楚。

银河系磁场的已有测量数据还局限于部分区域，甚至可用不同的磁场模型解释。未来大量观测应该可以进一步揭示银河系磁场和结构。