L'astronautica, la scienza della navigazione spaziale, si avvale dei risultati di molte discipline, quali la fisica, l'astronomia, la matematica, la chimica, la biologia, la medicina, l'elettronica e la meteorologia. Le sonde spaziali, con o senza uomini a bordo, hanno fornito e forniscono una fonte quasi inesauribile di dati scientifici sulla natura e sull'origine del sistema solare e dell'universo. I satelliti orbitanti, ormai divenuti indispensabili per le telecomunicazioni, per effettuare previsioni meteorologiche precise e per la navigazione, vengono utilizzati anche per il riconoscimento di risorse minerali sulla superficie terrestre.
 

Lo Sputnik 1, un satellite lungo 58 cm, fu il primo lanciato in orbita intorno alla Terra: il lancio venne effettuato dall'Unione Sovietica il 4 ottobre 1957. Il nome "Sputnik" significa "compagno di viaggio della Terra". Il satellite restò nello spazio 57 giorni, orbitando con un periodo di 96,2 minuti e trasmise molte informazioni sull'atmosfera.

Lo Sputnik 1 conteneva strumenti che per 21 giorni consecutivi trasmisero dati riguardo ai raggi cosmici e alle meteoriti e fornirono informazioni sulle condizioni di densità e di temperatura dei gas che compongono l'alta atmosfera. Quando, dopo 57 giorni, il satellite rientrò nell'atmosfera terrestre venne distrutto dal calore sviluppato per effetto dei fenomeni di attrito.

Il secondo satellite artificiale, lo Sputnik 2, venne lanciato il 3 novembre 1957 con a bordo una cagnetta di nome Laika, che permise di effettuare i primi studi sugli effetti del volo in orbita su organismi viventi. Lo Sputnik 2 rientrò nell'atmosfera terrestre e si distrusse dopo 162 giorni di volo.

Il 31 gennaio 1958, mentre lo Sputnik 2 era ancora in orbita, gli Stati Uniti lanciarono il loro primo satellite, l'Explorer 1. La sonda, un cilindro di 15 cm di diametro, lungo 203 cm e del peso di 14 kg, effettuò per 112 giorni precise misure dei raggi cosmici e di micrometeoriti; fornì inoltre i primi dati da satellite che condussero alla scoperta delle fasce di radiazione di Van Allen.

Nel gennaio 1958 venne fondata la NASA (National Aeronautics and Space Administration), agenzia governativa statunitense, responsabile della pianificazione, della gestione e del controllo di tutte le attività organizzate dagli Stati Uniti in campo aeronautico e spaziale, a eccezione di quelle a carattere strettamente militare. Nel corso dei vent'anni che seguirono furono lanciati oltre 1600 satelliti di vario tipo, la maggior parte in orbita terrestre. Dodici uomini hanno camminato sulla superficie lunare e sono tornati sulla Terra.

Il 17 marzo 1958 gli Stati Uniti posero in orbita il Vanguard 2, che per oltre sei anni trasmise segnali utilizzando l'energia solare; lo studio preciso delle variazioni della sua traiettoria fornì preziosi dati sulla forma del nostro pianeta. Il Vanguard 2 fu seguito dall'Explorer 3, lanciato il 26 marzo 1958, e dallo Sputnik 3 sovietico, lanciato il 15 maggio. Quest'ultimo, del peso di 1327 kg, misurò la radiazione solare, i raggi cosmici, il campo magnetico terrestre e altri fenomeni astronomici, finché la sua orbita decadde nell'aprile del 1960.

La Luna fu l'obiettivo di molte missioni spaziali, tuttavia i primi tentativi di inviare nello spazio sonde lunari non ebbero successo. La sonda sovietica Lunik 2, lanciata il 12 settembre 1959, cadde sulla Luna dopo 36 ore, e pochi mesi dopo il Pioneer 4 degli Stati Uniti sfiorò la superficie del nostro satellite. Da quel momento vennero effettuati numerosi lanci, con risultati diversi. Le prime fotografie della faccia lunare nascosta furono scattate dalla sonda Lunik 3, che venne lanciata dall'Unione Sovietica il 4 ottobre 1959. Uno dei successi più eclatanti fu la missione del Ranger 7, lanciato dagli USA il 28 luglio 1964: prima di cadere sull'emisfero della Luna rivolto verso il nostro pianeta, il satellite trasmise 4316 immagini della superficie lunare, riprese da una quota variabile tra i 1800 km e i 300 m, dando all'umanità le prime fotografie ravvicinate.

Il 31 gennaio 1966 l'Urss lanciò il Lunik 9, che effettuò il primo atterraggio morbido. A questa missione, il 30 maggio fece seguito il lancio del Surveyor 1, che atterrò sulla superficie lunare e trasmise alla Terra 11.150 immagini ravvicinate del nostro satellite naturale.

Nel 1966 e nel 1967 le sonde trasportate dalla navicella statunitense Lunar Orbiter orbitarono attorno alla Luna, inviando a Terra migliaia di fotografie che vennero in seguito utilizzate per scegliere i luoghi per l'allunaggio dell'Apollo.

Negli stessi anni due progetti lunari di un certo rilievo furono portati avanti dall'Unione Sovietica. La sonda Lunik 16, lanciata il 12 settembre 1970, si posò sulla Luna e stivò circa 113 g di suolo lunare poi analizzati a terra. La Lunik 17, lanciata il 10 novembre 1970, depositò sulla superficie del satellite un veicolo automatico di esplorazione denominato Lunokhod 1, dotato di una telecamera e alimentato a batterie solari. Nel corso di dieci giorni lunari il veicolo, controllato dalla Terra, percorse 10,5 km, effettuando riprese televisive e misurazioni scientifiche. Nel 1973 la Lunik 21, con il Lunokhod 2, ripeté la stessa esperienza.

Nel 1990 venne lanciato nello spazio dalla navetta Discovery il telescopio spaziale Hubble: presentava un difetto nelle apparecchiature ottiche che fu riparato in orbita dagli astronauti dell'Endeavour, nel dicembre del 1993. Tuttavia anche prima della riparazione questo strumento fornì delle immagini eccezionali.

I satelliti applicativi sono stati sviluppati per applicazioni particolari e si dividono in quattro grandi classi: satelliti per telecomunicazioni, meteorologici, per lo studio delle risorse terrestri e per la navigazione.

Una grande quantità di satelliti venne realizzata quando si resero disponibili vettori di lancio e strumenti di misura più affidabili. Ciò permise di effettuare studi accurati del Sole, delle altre stelle, della Terra e degli altri corpi celesti e di raccogliere dati che non potevano essere ottenuti dalla superficie terrestre a causa degli effetti schermanti dell'atmosfera.

Oltre che per le missioni lunari, furono progettate sonde per l'esplorazione di alcuni pianeti del sistema solare; anche molti satelliti orbitanti furono adibiti allo studio degli altri pianeti del sistema solare e delle comete.