Les premières recherches sur les fusées ont été entreprises dès les années 1920 en Allemagne, aux États-Unis et en URSS. À partir de 1935, ces études se sont développées en Allemagne avec le soutien des militaires, et elles ont abouti en 1942 à la mise au point du V2, la première véritable fusée moderne. Après la fin de la Seconde Guerre mondiale, l'URSS puis les États-Unis, héritiers des techniques allemandes, ont entrepris la construction de missiles à longue portée, qui ont été la base des premiers lanceurs spatiaux.

L'ère spatiale s'est ouverte le 4 oct. 1957 avec la mise en orbite, par l'URSS, du premier satellite artificiel, Spoutnik 1. Dans les années suivantes, l'URSS a inscrit à son actif une impressionnante série de « premières » spatiales, la plus spectaculaire étant, le 12 avril 1961, la satellisation du premier homme dans l'espace, Iouri Gagarine. Les années 1960 ont été dominées par le développement des vols spatiaux pilotés et par la concurrence entre l'URSS et les États-Unis pour la conquête de la Lune, marquée finalement par la victoire des États-Unis avec leur programme Apollo (12 astronautes sur la Lune, de juill. 1969 à déc. 1972).

Dans les années 1970, les États-Unis se sont engagés dans la construction, puis l'exploitation de 1981 à 2011, d'un nouveau moyen de transport spatial, partiellement réutilisable, la navette, et l'URSS dans la mise en place de stations orbitales permanentes. Parallèlement, l'accent est mis sur les satellites d'applications : télécommunications, météorologie, observation de la Terre. Enfin, on assiste à l'émergence de nouvelles puissances spatiales, principalement le Japon, la Chine et l'Europe occidentale, et la multiplication des pays développant et utilisant des satellites d'applications. Depuis le début des années 1990, ces tendances se renforcent. La concurrence pour le lancement des satellites commerciaux devient plus rude, amplifiée par la remise à l'honneur des fusées classiques aux États-Unis et l'entrée en scène de la Russie. Le démantèlement de l'URSS a profondément modifié la donne de l'astronautique mondiale, qui n'est plus désormais stimulée par la compétition américano-soviétique. Par ailleurs, les restrictions budgétaires pèsent fortement sur les programmes spatiaux. Le projet de Station spatiale internationale, lancé par les États-Unis et auquel participent la Russie, le Canada, le Japon et l'Europe, est entré en phase de réalisation à la fin de 1998 (lancement et assemblage en orbite des premiers modules) et achevé en 2011. Cette station accueille un équipage permanent.

Depuis les années 1960, de nombreuses sondes spatiales, non habitées, ont été lancées afin d'explorer les différents astres du Système solaire. Équipées de nombreux instruments scientifiques, ces sondes peuvent survoler une planète, se placer sur son orbite, pénétrer son atmosphère ou y déposer différents engins, voire des véhicules téléguidés depuis la Terre pour en explorer la surface (sur Mars, Sojourner en 1997 et Curiosity en 2012).