Космонавтика занимается исследованием космоса при помощи автоматических и пилотируемых космических кораблей. Космические корабли для полета по околоземным орбитам называют кораблями-спутниками, а для полета к другим небесным телам — межпланетными кораблями.
4 октября 1957 г. в Советском Союзе был произведен запуск первого искусственного спутника Земли. Спутник представлял собой алюминиевый шар диаметром 58 см и массой 83 кг 600 г. В герметичном корпусе размещались научная аппаратура и источники электропитания. Спутник летал 92 дня, совершив 1440 оборотов вокруг Земли.
12 апреля 1961 г. с космодрома Байконур впервые в мире стартовал советский космический корабль «Восток» с человеком на борту. Первым космонавтом стал Юрий Гагарин. Он провел на околоземной орбите 1 ч 48 мин, один раз облетев вокруг планеты.
Первым в открытое космическое пространство 18 марта 1965 г. из космического корабля «Восход 2» вышел летчик-космонавт СССР Алексей Леонов. Он удалился от корабля на расстояние до 5 м и провел в открытом космосе 12 мин 9 с.

Советский «Луноход-1» стал первым дистанционно управляемым самоходным аппаратом, успешно работавшим на поверхности другого небесного тела. Он был доставлен на Луну станцией «Луна-17» 17 ноября 1970 г. и проработал почти год.
20 июля 1969 г. лунный модуль «Аполлона-11» совершил посадку в Море Спокойствия. Нил Армстронг и Эдвин Олдрин работали на поверхности, а Майкл Коллинз оставался на окололунной орбите. Экспедиция вернулась на Землю с примерно 21,6 кг лунных образцов.
Самое длительное пребывание на орбите — 437 сут 18 ч. Абсолютный рекорд продолжительности работы в космосе за один полет установил российский космонавт Валерий Поляков. Он находился на борту орбитальной станции «Мир» с 8 января 1994 г. по 22 марта 1995 г.
В 1983 г. «Пионер-10» пересек расстояние от Солнца, соответствующее орбите Плутона, однако это не означает выход из Солнечной системы. По данным NASA, границу гелиосферы — гелиопаузу — впервые непосредственно пересек «Вояджер-1» в 2012 г., а «Вояджер-2» — в 2018 г. «Пионеры» также продолжают движение наружу, но связь с ними была потеряна до возможного пересечения гелиопаузы.