Kể từ khi phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên vào năm 1957, các phi hành gia đã du hành lên mặt trăng, các tàu thăm dò đã khám phá hệ mặt trời và các thiết bị trong không gian đã phát hiện ra hàng nghìn hành tinh quay quanh các ngôi sao khác.

Con người chúng ta đã phiêu lưu vào vũ trụ kể từ ngày 4 tháng 10 năm 1957, khi Liên bang Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Xô viết (Liên Xô) phóng Sputnik, vệ tinh nhân tạo đầu tiên bay quanh Trái đất. Điều này xảy ra trong thời kỳ thù địch chính trị giữa Liên Xô và Hoa Kỳ được gọi là Chiến tranh Lạnh. Trong nhiều năm, hai siêu cường đã cạnh tranh để phát triển tên lửa, được gọi là tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM), để mang vũ khí hạt nhân giữa các lục địa. Ở Liên Xô, nhà thiết kế tên lửa Sergei Korolev đã phát triển ICBM đầu tiên, tên lửa có tên R7, sẽ bắt đầu cuộc chạy đua vào vũ trụ.

Cuộc cạnh tranh này lên đến đỉnh điểm với sự ra mắt của Sputnik. Được mang trên tên lửa R7, vệ tinh Sputnik có thể phát ra tiếng bíp từ máy phát vô tuyến. Sau khi tới vũ trụ, Sputnik quay quanh Trái đất cứ 96 phút một lần. Những tiếng bíp vô tuyến có thể được phát hiện trên mặt đất khi vệ tinh bay ngang qua đầu, vì vậy mọi người trên khắp thế giới đều biết rằng nó thực sự đã ở trên quỹ đạo. Nhận thấy rằng Liên Xô có khả năng vượt xa công nghệ của Mỹ và có thể gây nguy hiểm cho người Mỹ, Hoa Kỳ ngày càng lo lắng. Sau đó, một tháng sau, vào ngày 3 tháng 11 năm 1957, Liên Xô đã đạt được một dự án không gian thậm chí còn ấn tượng hơn. Đây là SputnikII, một vệ tinh mang theo một sinh vật sống, một con chó tên Laika.

Trước khi phóng Sputnik, Hoa Kỳ đã nghiên cứu khả năng phóng vệ tinh của riêng mình. Hoa Kỳ đã hai lần thất bại trong việc phóng một vệ tinh vào không gian trước khi thành công với tên lửa mang theo vệ tinh mang tên Explorer vào ngày 31 tháng 1 năm 1958. Nhóm thực hiện vụ phóng vệ tinh đầu tiên này của Hoa Kỳ bao gồm phần lớn là các kỹ sư tên lửa người Đức đã từng phát triển tên lửa đạn đạo. tên lửa cho Đức Quốc xã. Làm việc cho Quân đội Hoa Kỳ tại Redstone Arsenal ở Huntsville, Alabama, các kỹ sư tên lửa người Đức do Wernher von Braun lãnh đạo và đã phát triển tên lửa V2 của Đức thành một tên lửa mạnh hơn, được gọi là Jupiter C, hay Juno. Explorer đã mang một số dụng cụ vào không gian để tiến hành các thí nghiệm khoa học. Một công cụ là máy đếm Geiger để phát hiện các tia vũ trụ. Đây là một thí nghiệm do nhà nghiên cứu James Van Allen thực hiện, cùng với các phép đo từ các vệ tinh sau này, đã chứng minh sự tồn tại của cái mà ngày nay gọi là vành đai bức xạ Van Allen quanh Trái đất.

Năm 1958, các hoạt động thám hiểm không gian ở Hoa Kỳ được hợp nhất thành một cơ quan chính phủ mới là Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA). Khi bắt đầu hoạt động vào tháng 10 năm 1958, NASA đã tiếp thu cái gọi là Ủy ban Cố vấn Hàng không Quốc gia (NACA) và một số cơ sở nghiên cứu và quân sự khác, bao gồm Cơ quan Tên lửa Đạn đạo Quân đội (Redstone Arsenal) ở Huntsville.

Người đầu tiên bay vào vũ trụ là nhà du hành vũ trụ Liên Xô Yuri Gagarin, người đã thực hiện một vòng quỹ đạo quanh Trái đất vào ngày 12 tháng 4 năm 1961, trong chuyến bay kéo dài 108 phút. Hơn ba tuần sau, NASA đã phóng phi hành gia Alan Shepard vào không gian, không phải trên một chuyến bay quanh quỹ đạo mà trên một quỹ đạo dưới quỹ đạo - một chuyến bay đi vào không gian nhưng không đi hết một vòng quanh Trái đất. Chuyến bay dưới quỹ đạo của Shepard chỉ kéo dài hơn 15 phút. Ba tuần sau, vào ngày 25 tháng 5, Tổng thống John F. Kennedy đã thách thức Hoa Kỳ đạt được một mục tiêu đầy tham vọng, tuyên bố: “Tôi tin rằng quốc gia này nên cam kết đạt được mục tiêu, trước khi hết thập kỷ, là đưa một người lên mặt đất.” mặt trăng và đưa anh ta trở về Trái đất an toàn."

Ngoài việc phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên, đưa con chó đầu tiên vào vũ trụ và đưa con người đầu tiên vào vũ trụ, Liên Xô đã đạt được các cột mốc không gian khác trước Hoa Kỳ. Những cột mốc quan trọng này bao gồm Luna 2, vật thể đầu tiên do con người tạo ra chạm vào Mặt trăng vào năm 1959. Ngay sau đó, Liên Xô đã phóng Luna 3. Chưa đầy bốn tháng sau chuyến bay của Gagarin vào năm 1961, một sứ mệnh thứ hai của con người Liên Xô đã quay quanh một phi hành gia xung quanh Trái đất trong một ngày trọn vẹn. Liên Xô cũng đã thực hiện được chuyến đi bộ ngoài không gian đầu tiên và thực hiện sứ mệnh Vostok 6, đưa Valentina Tereshkova trở thành người phụ nữ đầu tiên du hành vào vũ trụ.

Trong những năm 1960, NASA đã đạt được tiến bộ trong mục tiêu của Tổng thống Kennedy là đưa con người lên mặt trăng với một chương trình có tên Dự án Gemini, trong đó các phi hành gia thử nghiệm công nghệ cần thiết cho các chuyến bay lên mặt trăng trong tương lai và kiểm tra khả năng chịu đựng nhiều ngày của chính họ trong chuyến bay vũ trụ. Tiếp theo Dự án Gemini là Dự án Apollo, đưa các phi hành gia vào quỹ đạo quanh mặt trăng và tới bề mặt mặt trăng trong khoảng thời gian từ 1968 đến 1972. Năm 1969, trên tàu Apollo11, Hoa Kỳ đã cử các phi hành gia đầu tiên lên Mặt trăng và Neil Armstrong trở thành người đầu tiên để đặt chân lên bề mặt của nó. Trong các sứ mệnh đổ bộ, các phi hành gia đã thu thập các mẫu đá và bụi mặt trăng mà các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu để tìm hiểu về mặt trăng. Trong những năm 1960 và 1970, NASA cũng phóng một loạt tàu thăm dò không gian mang tên Mariner, nhằm nghiên cứu Sao Kim, Sao Hỏa và Sao Thủy.

Các trạm vũ trụ đánh dấu giai đoạn tiếp theo của hành trình khám phá không gian. Trạm vũ trụ đầu tiên trên quỹ đạo Trái đất là trạm Salyut 1 của Liên Xô, được phóng vào năm 1971. Tiếp theo là trạm vũ trụ Skylab của NASA, phòng thí nghiệm quỹ đạo đầu tiên trong đó các phi hành gia và nhà khoa học nghiên cứu Trái đất và tác động của chuyến bay vũ trụ lên cơ thể con người. Trong những năm 1970, NASA cũng thực hiện Dự án Viking trong đó hai tàu thăm dò đáp xuống Sao Hỏa, chụp nhiều bức ảnh, kiểm tra tính chất hóa học của môi trường bề mặt Sao Hỏa và kiểm tra bụi bẩn trên Sao Hỏa (gọi là regolith) để tìm sự hiện diện của vi sinh vật.

Kể từ khi chương trình mặt trăng Apollo kết thúc vào năm 1972, việc khám phá không gian của con người bị giới hạn ở quỹ đạo Trái đất thấp, nơi có nhiều quốc gia tham gia và tiến hành nghiên cứu trên Trạm vũ trụ quốc tế. Tuy nhiên, các tàu thăm dò không được điều khiển đã di chuyển khắp hệ mặt trời của chúng ta. Trong những năm gần đây, các tàu thăm dò đã thực hiện một loạt khám phá, bao gồm cả mặt trăng của Sao Mộc, được gọi là Europa và mặt trăng của Sao Thổ, được gọi là Enceladus, có các đại dương dưới lớp băng bề mặt mà các nhà khoa học cho rằng có thể chứa đựng sự sống. Trong khi đó, các thiết bị trong không gian như Kính viễn vọng Không gian Kepler và các thiết bị trên mặt đất đã phát hiện ra hàng nghìn ngoại hành tinh, các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác. Kỷ nguyên khám phá ngoại hành tinh này bắt đầu vào năm 1995 và công nghệ tiên tiến hiện cho phép các thiết bị trong không gian mô tả đặc điểm bầu khí quyển của một số ngoại hành tinh này.