Công cuộc thám hiểm vũ trụ bắt đầu từ năm 1957, khi Liên Xô phóng vệ tinh Sputnik 1. Năm 2001, du khách vũ trụ đầu tiên đã trả tiền cho một chuyến bay khứ hồi trong vũ trụ.
Sự phát triển công nghệ trong Chiến tranh Thế giới II đã khiến các nhà khoa học hiểu rằng một ngày nào đó con người có thể bay vào vũ trụ. Sự cạnh tranh giữa Mỹ và Liên Xô trong thời chiến tranh lạnh đã dẫn đến cuộc chạy đua trong lĩnh vực nghiên cứu vũ trụ. Cả hai bên đều nhận thấy việc trở thành quốc gia đầu tiên bay vào vũ trụ sẽ tăng thêm uy tín của họ. Cả hai bên cũng hy vọng rằng khoa học vũ trụ sẽ giúp họ phát triển thêm những loại vũ khí mới với tính năng mạnh hơn.
Liên Xô đạt được mục tiêu là quốc gia đầu tiên thâm nhập vào vũ trụ, bằng việc phóng vệ tinh lên quỹ đạo quanh Trái đất năm 1957. Ngay sau đó, cả Liên Xô và Mỹ đều đầu tư nhiều tiền của và thời gian vào khoa học nghiên cứu vũ trụ. Năm 1961, Liên Xô lại một lần nữa đi trước Mỹ, khi Yuri Gagarin trở thành người đầu tiên bay vào vũ trụ. Những thành tựu đáng chú ý khác của cả Liên Xô lẫn Mỹ là việc phóng các tàu thăm dò tới Mặt trăng và đi qua Sao Kim, tiếp đó là các chuyến bay vào vũ trụ có người lái, các chuyến đi bộ ra ngoài khoảng không vũ trụ và việc phóng các vệ tinh thông tin.
Chương trình bay vũ trụ Apollo đã giúp Mỹ đưa con người lên Mặt trăng. Từ tháng 7-1969 đến tháng 12-1972, Mỹ thực hiện thành công sáu chuyến bay, trong đó ba chuyến sau có sử dụng xe tự hành Lunar Roving Vehicle.
Kết thúc chiến tranh lạnh và cuộc khủng hoảng kinh tế những năm 1970 đã khiến hai cường quốc giảm bớt quy mô các chương trình nghiên cứu vũ trụ. Tuy nhiên, năm 1993 hai nước đã đồng ý hợp tác xây dựng một trạm vũ trụ quốc tế – trạm ISS – mà những phần đầu tiên đã được đưa lên quỹ đạo cuối năm 1998. Trạm ISS đón nhận những “cư dân” đầu tiên vào năm 2000.
Tại Mỹ, Cục Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) đã chế tạo một con tàu vũ trụ có thể sử dụng nhiều lần, gọi là tàu con thoi, nó có thể được phóng lên như tên lửa và sau đó trở về Trái đất như máy bay. Sự kiện phóng tàu vũ trụ con thoi đầu tiên vào năm 1981 đánh dấu một giai đoạn mới trong lĩnh vực nghiên cứu vũ trụ. Kể từ đó, các tàu vũ trụ con thoi đã chuyên chở con người và hàng hóa lên xuống các tàu bay trên quỹ đạo và các trạm vũ trụ. Năm 2003, đội tàu con thoi của Mỹ đành nằm một chỗ sau khi tàu con thoi Columbia bị nổ tung trên đường bay về Trái đất. Đến năm 2005 Mỹ mới phóng lại tàu con thoi Discovery lên ráp nối với trạm ISS.
Các tàu thăm dò vũ trụ không người lái đã bay gần hoặc đáp xuống mọi hành tinh trong hệ Mặt trời, trừ Sao Diêm vương. Các tàu thăm dò của Liên Xô đã đáp xuống Sao Kim năm 1975 và gửi về một số bức ảnh chụp hành tinh này. Năm 1977, Mỹ phóng hai tàu Voyager 1 và 2, sử dụng kỹ thuật “súng cao su” (slingshot – nghĩa là “được bắn”) từ hành tinh này tới hành tinh khác nhờ trường hấp dẫn của các hành tinh. Trước khi biến mất tăm vào sâu trong vũ trụ, các tàu thăm dò đã chuyển về những dữ liệu quý giá và các bức ảnh chụp Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên vương và Sao Hải vương.
Kính viễn vọng Hubble do Mỹ phóng lên năm 1990 cho phép các nhà khoa học có được hình ảnh về các vật thể cách xa hàng tỉ năm ánh sáng và cung cấp thông tin về Vũ trụ. Năm 2004, các thiết bị thăm dò Spirit và Opportunity đổ bộ xuống Sao Hỏa và gửi về Trái đất các bức ảnh về hành tinh Đỏ. Các thiết bị thăm dò này cũng nghiên cứu cả mẫu đất, đá trên Sao Hỏa.