En 1928 un jeune homme de 22 ans, Clyde Tombaugh (1906-1997) est embauché à l'observatoire de Flagstaff comme assistant, 13 ans après la mort de Percival Lowell, sa mission est de photographier méticuleusement l'écliptique avec une lunette de 33cm, dans l'espoir de trouver une nouvelle planète. Le 18 février 1930, comparant deux images de la même région du ciel prises le 23 et le 29 janvier dans la constellation des Gémeaux, il aperçoit qu'un astre faiblement brillant, de magnitude 14, a apparemment changé de place.
La recherche par l'Observatoire Lowell d'une éventuelle neuvième planète a commencé en 1905, sous l'impulsion du fondateur de l'observatoire, Percival Lowell (1855/1916). Lowell étudia surtout Mars et chercha à démontrer l'existence des "canaux". Il envisagea cependant la présence d'une "planète X" au-delà de Neptune, et en indiqua l'orbite probable (1915), d'après certaines perturbations dans le mouvement d'Uranus et de Neptune. Indépendamment de Percival Lowell, William Henry Pickering (1858/1938) suggéra également l'existence d'une planète inconnue au-delà de Neptune, dont il calcula l'orbite.
Photographié par deux fois en 1915 (le 19 Mars et le 07 Avril) et une nouvelle fois en 1919, sans qu'on l'ait remarquée sur les clichés, Pluton n'a été découvert qu'en 1930 par Clyde Tombaugh à 5° de la position prédite. En fait Pluton était trop petit pour avoir pu perturber Uranus et Neptune (le calcul de ces perturbations, fondé sur des erreurs d'observations, était d'ailleurs faux). Des anomalies dans son mouvement avaient donné à penser qu'il s'agissait d'un ancien satellite de Neptune, qui aurait échappé à l'attraction neptunienne, en frôlant Triton, autre satellite de Neptune. Cette hypothèse a été abandonnée en 1978, après la découverte de Charon, satellite de Pluton.
L'Observatoire a fait l'annonce officielle de la découverte de la nouvelle planète le 13 Mars 1930, jour anniversaire de la naissance de Percival Lowell. C'est une écolière américaine qui proposa le nom Pluton pour la nouvelle planète. Après de nombreuses suggestions, c'est ce nom qui a été choisi; la communauté astronomique de l'époque a adopté un symbole pour la planète rappelant les initiales de Percival Lowell.
Bien avant sa mort, Tombaugh savait que le statut de Pluton pouvait être remis en cause et avec les découvertes des nouveaux objets de Kuiper il aurait probablement accepté ce déclassement.