L'ère de l'exploration spatiale débuta dans les années 50, bien que les bases sur lesquelles repose l'exploration spatiale remonte à avant la deuxième guerre mondiale, et dans les années suivantes, des sondes spatiales et plus tard des être humains se sont rendus au-delà de l'atmosphère pour atterrir sur un autre objet céleste, la Lune. Depuis, des sondes sont parties pour explorer les limites lointaines de notre système solaire.
L'aspect le plus excitant et stimulant de l'exploration spatiale fut le vol spatial piloté. Peu après le lancement des premiers satellites, les États-Unis et l'URSS ont commencé à travailler à la fabrication de véhicules spatiaux pilotés par des astronautes. Après plusieurs vols robotisés en 1960 et début 1961, l'Union Soviétique a lancé le premier engin piloté, Vostok, le 12 avril 1961. Ainsi, Youri Gagarine devint le premier homme en orbite. Aussi en 1961, le président américain Kennedy a déclaré au monde entier que l'objectif des États-Unis était d'envoyer un homme sur la Lune avant la fin de la décennie. Après les programmes Mercury, Gemini et Apollo, Neil Armstrong mis le pied sur la surface lunaire le 20 juillet 1969.
Depuis le lancement du premier satellite artificiel (Spoutnik 1) par l'URSS en 1957, des milliers de vaisseaux spatiaux ont été mis en orbite autour de la Terre et de nombreuses sondes ont été envoyées sur des missions visant à augmenter nos connaissances sur la Lune, les planètes et les comètes. La plupart des engins lancés l'étaient soit par les États-Unis ou l'URSS, dont plus de la moitié des lancements réussis effectués par l'URSS.
Lorsque l'URSS a lancé Spoutnik 1, cet évènement a non seulement lancé un défi scientifique aux États-Unis, mais aussi de grandes pressions politiques. Le retard des États-Unis dans le domaine de l'aérospatiale datait de la fin de la deuxième guerre mondiale. L'Allemagne nazie avait tentée avec plus ou moins de succès de développer des missiles (le V-2 étant le plus connu). Lors de la prise de Berlin, le laboratoire fut trouvé premièrement par les Russes, puis par les Anglais et enfin les Américains. Puisque les Russes et les Anglais étaient partis avec presque toute l'information utile, il ne restait presque plus rien pour les États-Unis. Par après, les États-Unis et l'Angleterre ne prirent pas au sérieux le développement de missiles tout simplement parce que ceux-ci étaient bornés à l'idée que les vols spatiaux (donc les missiles) étaient impossibles et qu'il ne valait donc pas la peine de dépenser du temps et de l'argent sur des recherches inutiles. L'URSS de son côté a compris tout le potentiel des missiles, lorsque Spoutnik fut envoyé en orbite autour de la Terre, cela voulait non seulement dire que l'URSS avait un avantage technologique mais qu'elle n'avait plus besoin d'avion pour envoyer ses bombes atomiques sur les villes du "monde libre". À l'époque, les États-Unis auraient eu besoin de plusieurs heures pour mettre en place une attaque nucléaire contre l'URSS tandis que ceux-ci n'avaient qu'à envoyer leurs missiles, ce qui aurait pris 30 minutes, de cette façon, il n'y avait aucune réplique possible de la part des États-Unis.
Lorsque Kennedy déclara que les États-Unis se rendraient sur la Lune d'ici la fin de la décennie, ce qu'il faisait en réalité était de permettre l'apport d'une grande quantité d'argent pour le développement de missiles intercontinentaux en ayant l'accord du public. De plus, pour empêcher les États-Unis d'être technologiquement en retard sur l'URSS une autre fois, il y a eu une hausse des standards d'éducation à travers tous les États-Unis surtout dans les domaines comme les mathématiques et les sciences pures.
Après le lancement de Spoutnik 1, l'aventure spatiale soviétique dans l'espace était caractérisé par un progrès lent et stable et par une exploitation déterminée de l'environnement spatial. L'URSS possédait une gamme respectable de compétences pour les opérations de vol spatial. Avec environ cent lancements spatiaux par année, une station spatiale permanente, de grands engins propulseurs, des armes spatiales opérationnelles et un programme audacieux d'exploration interplanétaire, l'URSS de la fin du vingtième siècle paraissait préparé pour dominer le secteur.
La première station spatiale fut Salyut, lancée par l'URSS en avril 1971. Elle fut suivie par quelques autres stations Salyut et enfin par Mir. La seule vraie station spatiale lancée par les États-Unis fut Skylab, en orbite dès le 14 mai 1973. Quelques années plus tard, elle entra dans l'atmosphère terrestre et se désintégra. Les États-Unis commencèrent à planifier une plus grande station, mais les études suggéraient que le projet serait inutile sans un système de transport réutilisable. Une priorité a donc été mise sur le programme de navettes spatiales comme une première étape.
La navette spatiale américaine est un engin spatial réutilisable qui fut choisi au début des années 70 comme le principal lanceur spatial et véhicule de cargaison à être développé par la National Aeronautics and Space Administration (NASA). Ayant comme objectif de remplacer les fusées propulseur dispendieuses et non réutilisables, la navette spatiale compléterait le nouveau "Space Transportation System" (STS) de la NASA. Le programme commença en 1981 avec la navette Columbia. Malgré quelques problèmes la navette démontra sa versatilité jusqu'en 1986 quand la navette Challenger a explosé après 67 secondes de vol. Tous les projets d'exploration spatiale pour les deux prochaines années furent annulés et le programme ne fut que recommencé en 1988.
En 1984, le président américain Ronald Reagan annonça un projet pour établir une station permanente surnommée "Freedom" en moins de dix ans avec la coopération de l'Agence Spatiale Européenne (ASE), le Canada et le Japon. Au cours des années suivantes, il y eut plusieurs coupures budgétaires et de nouveaux plans pour réduire la grandeur de la station. La NASA avait même considéré de jumeler la nouvelle station avec la station Mir-2 planifiée par l'URSS. Aujourd'hui, cinq agences spatiales mondiales (États-Unis, Russie, Europe, Canada et Japon) comprenant 16 pays ont combiné leurs efforts pour la Station Spatiale Internationale qui est actuellement en construction et qui devrait être complétée vers la fin de 2003.