มนุษย์เราเดินทางสู่อวกาศตั้งแต่วันที่ 4 ตุลาคม พ.ศ. 2500 เมื่อสหภาพสาธารณรัฐสังคมนิยมโซเวียต (สหภาพโซเวียต) ปล่อยดาวเทียมสปุตนิก ซึ่งเป็นดาวเทียมประดิษฐ์ดวงแรกที่โคจรรอบโลก สิ่งนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาแห่งความเป็นปรปักษ์ทางการเมืองระหว่างสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกาที่เรียกว่าสงครามเย็น เป็นเวลาหลายปีที่มหาอำนาจทั้งสองแข่งขันกันเพื่อพัฒนาขีปนาวุธที่เรียกว่าขีปนาวุธข้ามทวีป (ICBM) เพื่อบรรทุกอาวุธนิวเคลียร์ระหว่างทวีป ในสหภาพโซเวียต Sergei Korolev ผู้ออกแบบจรวดได้พัฒนา ICBM ลำแรก ซึ่งเป็นจรวดที่เรียกว่า R7 ซึ่งจะเริ่มการแข่งขันในอวกาศ

การแข่งขันครั้งนี้จบลงด้วยการเปิดตัวสปุตนิก เมื่อบรรทุกบนจรวด R7 ดาวเทียมสปุตนิกสามารถส่งเสียงบี๊บจากเครื่องส่งสัญญาณวิทยุได้ หลังจากไปถึงอวกาศ สปุตนิกโคจรรอบโลกทุกๆ 96 นาที เสียงบี๊บของวิทยุสามารถตรวจจับได้บนพื้นเมื่อดาวเทียมเคลื่อนผ่านเหนือศีรษะ ดังนั้นผู้คนทั่วโลกจึงรู้ว่าดาวเทียมอยู่ในวงโคจรจริงๆ เมื่อตระหนักว่าสหภาพโซเวียตมีความสามารถที่เหนือกว่าเทคโนโลยีของสหรัฐฯ ที่อาจเป็นอันตรายต่อชาวอเมริกัน สหรัฐฯ จึงมีความกังวลมากขึ้น จากนั้น หนึ่งเดือนต่อมา ในวันที่ 3 พฤศจิกายน พ.ศ. 2500 โซเวียตประสบความสำเร็จในกิจการอวกาศที่น่าประทับใจยิ่งกว่าเดิม นี่คือ SputnikII ดาวเทียมที่บรรทุกสิ่งมีชีวิต สุนัขชื่อไลก้า

ก่อนที่จะมีการปล่อยสปุตนิก สหรัฐอเมริกาได้พยายามพัฒนาขีดความสามารถของตนเองในการปล่อยดาวเทียม สหรัฐอเมริกาพยายามล้มเหลวสองครั้งในการปล่อยดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศ ก่อนที่จะประสบความสำเร็จด้วยจรวดที่บรรทุกดาวเทียมชื่อเอ็กซ์พลอเรอร์เมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2501 ทีมที่ประสบความสำเร็จในการปล่อยดาวเทียมครั้งแรกของสหรัฐประกอบด้วยวิศวกรจรวดชาวเยอรมันซึ่งครั้งหนึ่งเคยพัฒนาขีปนาวุธ ขีปนาวุธสำหรับนาซีเยอรมนี ทำงานให้กับกองทัพสหรัฐฯ ที่ Redstone Arsenal ใน Huntsville รัฐ Alabama วิศวกรจรวดชาวเยอรมันนำโดย Wernher von Braun และได้พัฒนาจรวด V2 ของเยอรมันให้เป็นจรวดที่ทรงพลังยิ่งกว่าที่เรียกว่า Jupiter C หรือ Juno นักสำรวจได้นำเครื่องมือหลายอย่างขึ้นสู่อวกาศเพื่อทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ เครื่องมือชิ้นหนึ่งคือเครื่องนับไกเกอร์สำหรับตรวจจับรังสีคอสมิก นี่เป็นการทดลองโดยนักวิจัย เจมส์ แวน อัลเลน ซึ่งร่วมกับการตรวจวัดจากดาวเทียมรุ่นหลังๆ ได้พิสูจน์การมีอยู่ของสิ่งที่ปัจจุบันเรียกว่าแถบรังสีแวน อัลเลนรอบโลก

ในปี พ.ศ. 2501 กิจกรรมการสำรวจอวกาศในสหรัฐอเมริกาถูกรวมเข้าเป็นหน่วยงานรัฐบาลใหม่ ซึ่งก็คือองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA) เมื่อเริ่มปฏิบัติการในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2501 NASA ได้รวมเอาสิ่งที่เรียกว่าคณะกรรมการที่ปรึกษาแห่งชาติด้านการบิน (NACA) และสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการวิจัยและการทหารอื่นๆ อีกหลายแห่ง รวมถึงหน่วยงานขีปนาวุธของกองทัพบก (Redstone Arsenal) ในฮันต์สวิลล์

มนุษย์คนแรกในอวกาศคือนักบินอวกาศโซเวียต ยูริ กาการิน ซึ่งโคจรรอบโลกหนึ่งครั้งเมื่อวันที่ 12 เมษายน พ.ศ. 2504 บนเที่ยวบินที่กินเวลา 108 นาที กว่าสามสัปดาห์ต่อมา NASA ได้เปิดตัวนักบินอวกาศ Alan Shepard สู่อวกาศ ไม่ใช่ในการบินในวงโคจร แต่ในวิถีโคจรใต้วงโคจร ซึ่งเป็นการบินที่เข้าสู่อวกาศแต่ไม่ได้ไปรอบโลก การบินใต้วงโคจรของ Shepard กินเวลาเพียง 15 นาที สามสัปดาห์ต่อมา ในวันที่ 25 พฤษภาคม ประธานาธิบดีจอห์น เอฟ. เคนเนดีท้าทายสหรัฐอเมริกาให้บรรลุเป้าหมายอันทะเยอทะยาน โดยประกาศว่า “ผมเชื่อว่าประเทศนี้ควรมุ่งมั่นที่จะบรรลุเป้าหมายก่อนที่ทศวรรษจะหมดลง ของการพาชายคนหนึ่งขึ้นไปบน ดวงจันทร์และนำเขากลับสู่โลกอย่างปลอดภัย”

นอกเหนือจากการปล่อยดาวเทียมประดิษฐ์ดวงแรก สุนัขตัวแรกในอวกาศ และมนุษย์คนแรกในอวกาศแล้ว สหภาพโซเวียตยังบรรลุเป้าหมายด้านอวกาศอื่นๆ ที่นำหน้าสหรัฐอเมริกาอีกด้วย เหตุการณ์สำคัญเหล่านี้รวมถึงลูนา 2 ซึ่งกลายเป็นวัตถุแรกที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่อชนดวงจันทร์ในปี พ.ศ. 2502 หลังจากนั้นไม่นาน สหภาพโซเวียตก็ปล่อยลูนา 3 ขึ้น ไม่ถึงสี่เดือนหลังจากกาการินบินในปี พ.ศ. 2504 ภารกิจมนุษย์ครั้งที่สองของโซเวียตก็โคจรรอบนักบินอวกาศรอบ ๆ โลกเป็นเวลาหนึ่งวันเต็ม สหภาพโซเวียตยังประสบความสำเร็จในการเดินอวกาศครั้งแรกและเปิดตัวภารกิจวอสตอค 6 ซึ่งทำให้วาเลนตินา เทเรชโควาเป็นผู้หญิงคนแรกที่เดินทางไปในอวกาศ

ในช่วงทศวรรษ 1960 NASA ก้าวหน้าไปสู่เป้าหมายของประธานาธิบดีเคนเนดีในการลงจอดมนุษย์บนดวงจันทร์ด้วยโปรแกรมที่เรียกว่า Project Gemini ซึ่งนักบินอวกาศได้ทดสอบเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับการบินไปยังดวงจันทร์ในอนาคต และทดสอบความสามารถของตนเองในการทนต่อการบินอวกาศเป็นเวลาหลายวัน ตามมาด้วยโครงการเจมินี ซึ่งนำนักบินอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบดวงจันทร์และพื้นผิวดวงจันทร์ระหว่างปี พ.ศ. 2511 ถึง พ.ศ. 2515 ในปี พ.ศ. 2512 บน Apollo11 สหรัฐอเมริกาได้ส่งนักบินอวกาศกลุ่มแรกไปยังดวงจันทร์ และนีล อาร์มสตรองกลายเป็นมนุษย์คนแรก เพื่อจะเหยียบย่ำพื้นผิวของมัน ในระหว่างภารกิจลงจอด นักบินอวกาศได้เก็บตัวอย่างหินและฝุ่นบนดวงจันทร์ที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงศึกษาเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับดวงจันทร์ ในช่วงทศวรรษปี 1960 และ 1970 NASA ได้เปิดตัวชุดยานอวกาศที่เรียกว่า Mariner ซึ่งศึกษาดาวศุกร์ ดาวอังคาร และดาวพุธ

สถานีอวกาศถือเป็นก้าวต่อไปของการสำรวจอวกาศ สถานีอวกาศแห่งแรกในวงโคจรของโลกคือสถานีอวกาศโซเวียต 1 ซึ่งเปิดตัวในปี 1971 ตามมาด้วยสถานีอวกาศสกายแล็ปของ NASA ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการวงโคจรแห่งแรกที่นักบินอวกาศและนักวิทยาศาสตร์ศึกษาโลกและผลกระทบของการบินอวกาศต่อร่างกายมนุษย์ ในช่วงทศวรรษ 1970 NASA ยังได้ดำเนินโครงการ Project Viking โดยมียานสำรวจ 2 ลำลงจอดบนดาวอังคาร ถ่ายภาพจำนวนมาก ตรวจสอบเคมีของสภาพแวดล้อมบนพื้นผิวดาวอังคาร และทดสอบสิ่งสกปรกบนดาวอังคาร (เรียกว่า regolith) เพื่อหาจุลินทรีย์

นับตั้งแต่โครงการ Apollo Lunar สิ้นสุดลงในปี 1972 การสำรวจอวกาศของมนุษย์ถูกจำกัดอยู่เพียงวงโคจรโลกต่ำ ซึ่งหลายประเทศเข้าร่วมและดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับสถานีอวกาศนานาชาติ อย่างไรก็ตาม ยานสำรวจที่ไม่ได้นำร่องได้เดินทางไปทั่วระบบสุริยะของเรา ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ยานสำรวจได้ค้นพบหลายอย่าง รวมถึงดวงจันทร์ของดาวพฤหัสที่เรียกว่ายูโรปา และดวงจันทร์ของดาวเสาร์ที่เรียกว่าเอนเซลาดัส มีมหาสมุทรอยู่ใต้พื้นผิวน้ำแข็ง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์คิดว่าอาจมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ ในขณะเดียวกัน เครื่องมือในอวกาศ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์ และเครื่องมือบนพื้นโลกได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะหลายพันดวง ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่น ยุคของการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะเริ่มต้นขึ้นในปี 1995 และเทคโนโลยีขั้นสูงในปัจจุบันทำให้เครื่องมือต่างๆ ในอวกาศสามารถระบุลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะบางดวงได้