Odkrywanie kosmosu może odbywać się na dwa sposoby – poprzez załogowe loty kosmiczne oraz poprzez zdalnie sterowane statki kosmiczne. Rozwój wielkich silników rakietowych na początku XX wieku sprawił, że loty w kosmos stały się możliwe i osiągalne. Tym samym rozpoczął się wyścig pomiędzy Stanami Zjednoczonymi a Związkiem Radzieckim, które jako pierwsze w historii chciały odbyć lot w kosmos.

Pierwsza udana misja tego typu odbyła się 4 października 1957 roku. Bezzałogowy statek kosmiczny, rosyjskiej produkcji, Sputnik I, ważący 83 kg, okrążył Ziemię na wysokości około 250 km. Posiadał dwa transmitery radiowe o częstotliwości 20 i 40 MHz wysyłające sygnały dźwiękowe, które mogły być odebrane w każdym zakątku Ziemi. Dane te były wykorzystywane do badania gęstości jonosfery oraz mierzenia temperatur i ciśnienia. Sputnik I spalił się podczas wchodzenia w atmosferę ziemską 3 stycznia 1958 roku.

Sukces Rosjan przyspieszył działania amerykańskiego programu kosmicznego. Zaledwie 2 miesiące po sukcesie ZSRR, USA wystrzeliła swoją sondę o nazwie Explorer 1, a niedługo potem kolejny statek – Vanguard 1.

W międzyczasie Rosjanie postanowili pójść o krok dalej i wystrzelić w kosmos pierwszą żywa istotę. Mowa tutaj o bezpańskim psie o imieniu Łajka, który został znaleziony w jednym z moskiewskich schronisk. Po przejściu odpowiedniego szkolenia wraz z dwoma innymi psami, Łajka została wybrana jako zwierzę, które pierwsze znajdzie się na orbicie okołoziemskiej. Sputnik 2, bo tak nazywał się statek kosmiczny, którym pies poleciał w kosmos, wystartował 3 listopada 1957 roku. Łajka niestety zdechła kilka godzin po starcie w wyniku stresu i przegrzania organizmu, co było spowodowane awarią systemów kontrolnych. Lot ten dowiódł, że żywa istota może przeżyć w przestrzeni kosmicznej i znieść stan nieważkości. Były to podwaliny załogowych misji kosmicznych.

Po próbach ze zwierzętami, przyszedł wreszcie przełomowy moment – pierwszy lot człowieka w kosmos. Wybrańcem został Yuri Gagarin, 27-letni rosyjski kosmonauta. To historyczne wydarzenie miało miejsce 12. kwietnia 1961 roku. Yuri na pokładzie statku Vostok 1 okrążył Ziemie w około 108 minut po czym katapultował się około 7 km nad powierzchnią i wylądował cały i zdrowy. Wyczyn Gagarina znowu z lekkim opóźnieniem powtórzyli Amerykanie, wystrzeliwując Alana Sheparda na pokładzie statku Mercury 3. Wszystkie te misje były wielkimi krokami milowymi w dziedzinie odkrywania kosmosu. Z upływem lat i rozwojem techniki, coraz lepsze i bezpieczniejsze statki kosmiczne były wysyłane na różnego rodzaju misje. W maju 1961 roku John Kennedy, ówczesny prezydent Stanów Zjednoczonych, obiecał swym rodakom, że pod koniec dekady Amerykanin stanie na Księżycu. Tak rozpoczął się kolejny wyścig Zimnej Wojny.

Lądowaniu na Księżycu towarzyszyło wiele emocji. W Rosji (Luna) oraz USA (Apollo) prowadzono równolegle dwa programy, które miały na celu postawić człowieka na powierzchni Księżyca. Pierwsze loty zdołały tylko zbliżyć się do satelity ziemskiego. Kolejne z nich dostarczyły zdjęć Księżyca oraz informacji o nim. W 1966 roku Rosjanom udało się wylądować na Księżycu, jednak była to misja bezzałogowa.

Amerykanie w tym samym czasie próbowali wysłać swoją sondę Pioneer, jednak kolejne próby kończyły się niepowodzeniami. Jednak mimo początkowych porażek, to właśnie oni jako pierwsi stanęli na Księżycu. Było to 20 lipca 1969 roku. W misji Apollo 11 wzięli udział Neil Armstrong, Edwin Aldrin oraz Michael Collins. Na pamiątkę tego wydarzenia na Księżycu pozostawiono flagę Stanów Zjednoczonych oraz tabliczkę zawierającą informacje o lądowaniu.

Znaleźli się jednak też zwolennicy teorii spiskowych, którzy nie dowierzają całej tej historii, twierdząc, że lądowanie na Księżycu zostało spreparowane w jednym z hollywoodzkich hangarów. Przedstawiają na to sporo dowodów, jednak po bliższej analizie okazuje się, że zostały one źle zinterpretowane lub nie uwzględniają wielu mniej znanych faktów.

Wahadłowiec kosmiczny, prom kosmiczny to rodzaj załogowego statku kosmicznego, który może być wykorzystywany wielokrotnie i zwykle przystosowany jest do wynoszenia na orbitę i ściągania z orbity satelitów i innych ładunków. W założeniach prom, dzięki możliwości wielokrotnego wykorzystania, ma umożliwić znaczną redukcję kosztów związanych z wynoszeniem na orbitę ładunków i pasażerów. W praktyce dotychczasowe programy budowy promów kosmicznych okazały się niezwykle kosztowne, a same pojazdy – bardzo złożone. Do czynnej służby trafiły jedynie dwa typy promów – amerykańskie Space Shuttle, w ramach programu Space Transportation System, oraz wzorowane na nich radzieckie promy klasy Buran – choć pojazdy radzieckie wykonały zaledwie jeden lot przed zawieszeniem, a następnie zakończeniem programu ich budowy.

Obecnie z promów korzysta jedynie NASA. Ich głównym zadaniem jest dostarczanie załóg, zaopatrzenia i elementów konstrukcyjnych Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Loty wahadłowców wznowiono w lipcu 2005 po przerwie spowodowanej katastrofą wahadłowca Columbia w 2003 r. Amerykańskie promy kosmiczne mają zakończyć loty z końcem roku 2010, a zgodnie z założeniami nowego programu Vision for Space Exploration, projektowany jest nowy statek kosmiczny Orion, który powraca do tradycji misji Apollo.

Jakkolwiek zewnętrznie obie konstrukcje promów kosmicznych wydają się bliźniaczo podobne, założenia projektowe są zupełnie odmienne. Amerykańska wersja wahadłowca składa się z orbitera przymocowanego do zewnętrznego zbiornika paliwa, wyposażonego w trzy potężne silniki, napędzane mieszanką wodoru i tlenu. Dodatkową moc potrzebną do startu zapewniają dwie rakiety na paliwo stałe, przymocowane po obu stronach zbiornika z paliwem. W rosyjskiej wersji cała jednostka napędowa została przeniesiona poza orbiter. Do jego wyniesienia służy rakieta Energia. Rosyjska konstrukcja stała się przez to znacznie bardziej elastyczna. Rakieta Energia może wynosić dowolny ładunek, nie tylko wahadłowiec Buran, przez co jej ogromy udźwig może zostać znacznie lepiej wykorzystany. Możliwości te zademonstrowała, niedawno odtajniona, misja wyniesienia satelity bojowego Polus. W konfiguracji Energia/Buran całkowity udźwig na niską orbitę okołoziemską wynosi 30 ton. Dla porównania udźwig Space Shuttle to 25 ton.