Kosmosa izpēte līdzās debess ķermeņu izpētei ietver arī kosmisko aparātu un kosmosa resursu izmantošanu tautsaimniecībā – meteoroloģiskiem un dabas resursu novērojumiem, sakaru nodrošināšanai, navigācijai, kā arī militāriem mērķiem. Tā kā nav fizikāli noteiktas robežas starp Zemes atmosfēru un ārējo telpu, par kosmisko telpu uzskata augstumu, kas ir lielāks par 100 km virs jūras līmeņa. Šo robežu sauc par Kārmāna līniju.

Kosmosa izpēte ļauj iegūt fundamentālas zināšanas par Visuma uzbūvi, Saules sistēmas un Zemes dzīvības izcelsmi, Zemes resursiem, kā arī kosmosa kolonizāciju. Kosmosa kolonizācija ir starptautiskās sabiedrības izvirzīts mērķis nākotnē, un tās pirmie posmi ietver pastāvīgas apmetnes izveidi uz Mēness un Marsa. Ar kosmosa izpētes praktisko nozīmi saprot tās ieguldījumu astronomijā, dabaszinātnēs, tautsaimniecībā un inženierzinātnēs. Kosmosa izpētes teorētiskā un praktiskā nozīme visvairāk atspoguļojas astronomijā.

Kosmosa izpēte ietver elementus no gandrīz visām dabaszinātnēm un daļas inženierzinātņu. Ar kosmosa izpēti saistītās zinātnes iedala divās grupās: 1) dabas un inženierzinātnes, kas nepieciešamas kosmosa izpētes realizācijai; 2) dabaszinātnes, kuras izmanto kosmiskos aparātus saviem pētījumiem. Piemēram, bioloģija, fizika, ķīmija, materiālzinātnes izmanto iespēju veikt eksperimentus mikrogravitācijas apstākļos. Iespēju pacelt kosmosā instrumentus Zemes resursu novērošanai izmanto meteoroloģijā, arī bioloģijas un ģeogrāfijas nozarēs.

Kosmosa izpētei ir cieša saistība ar inženierzinātnēm. Ņemot vērā augstās kosmisko aparātu palaišanas izmaksas (40–100 000 EUR/kg, 2016), liela nozīme ir materiālzinātnēm, kas cenšas padarīt kosmiskos aparātus pēc iespējas vieglākus. Ja paredzēta kosmosa kuģa atgriešanās uz Zemes, nepieciešams pielietot jaunākās tehnoloģijas termiskās aizsardzības izstrādei. Lai ietaupītu nepieciešamo virsmas laukumu un samazinātu masu, tiek palielināts saules bateriju paneļu lietderības koeficients, ar ko nodarbojas pusvadītāju fizika. Raķešdegvielas un raķešdzinēju izstrādē liela nozīme ir ķīmijai. Sadarbojoties ar kodolfizikas ekspertiem, nākotnē iespējama kodoldzinēju izmantošana starpplanētu un starpzvaigžnu automātiskajām misijām.

Kosmosa izpētes pamatā ir kosmiskais lidojums ‒ kosmiskā aparāta pastāvīga vai īslaicīga pārvietošanās kosmiskajā telpā inerces un gravitācijas spēku ietekmē. Lielākā daļa kosmisko aparātu atrodas nepārtrauktā kustībā kosmiskajā telpā, izņemot tos, kuri atrodas uz kāda debess ķermeņa virsmas. Trajektorijas, pa kurām kustas kosmiskie aparāti, sauc par orbītām. Kosmiskais aparāts tiek pacelts kosmiskajā telpā kā derīgā krava ar kosmisko raķeti. Kosmiskā aparāta dzīves cikls sastāv no vairākiem posmiem: projektēšanas, izgatavošanas, testēšanas, nogādāšanas kosmosā, kosmiskās misijas, kuras laikā tiek veikta debess ķermeņu vai dabas parādību izpēte, un misijas beigām. Kosmiskā misija ir notikumu kopums no kosmiskā aparāta starta līdz tā funkcionēšanas beigām. Kosmiskos aparātus, kuri kosmiskajā telpā spēj pārvietoties patstāvīgi, sauc par kosmosa kuģiem. Kosmosa kuģus iedala pilotējamos un nepilotējamos jeb automātiskajos. Tiem var būt spēja ar dzinēju palīdzību mainīt lidojuma orbītu. Zemes tuvumā esošs kosmiskais aparāts ir Zemes mākslīgais pavadonis (ZMP) jeb satelīts. ZMP tiek izmantoti tautsaimniecības un militāriem mērķiem, laikapstākļu un Zemes resursu ilgstošai novērošanai un citiem nolūkiem. ZMP var būt lieli (līdz 20 t) sakaru pavadoņi vai kosmiskās observatorijas, kā arī dažus centimetrus nelieli (vieglāki par kg). Nelieli ZMP pārsvarā paredzēti izglītojošiem mērķiem (piemēram, Cubesat standarta ZMP, ko būvē universitātes vai entuziastu grupas).

Lai kosmisko aparātu (kosmosa kuģi vai ZMP) nogādātu ārpus atmosfēras, nepieciešams piešķirt lielu kinētisko enerģiju jeb ātrumu Zemes gravitācijas lauka un atmosfēras pretestības pārvarēšanai. To veic ar kosmiskajām raķetēm, sadedzinot raķešdegvielu raķešdzinējos, kas pārvērš degvielas ķīmisko enerģiju kinētiskajā enerģijā. Kosmiskās raķetes iedala vienreiz un daudzreiz izmantojamās. Daudzreiz izmantojami var būt arī atsevišķi to elementi ‒ visbiežāk pirmās pakāpes un starta paātrinātāji. Kosmisko raķešu pēdējās pakāpes, kas paredzētas kosmisko aparātu ievadīšanai to gala orbītās vai starpplanētu trajektorijās, sauc par augšējām raķešpakāpēm. Tās var būt aprīkotas ar elektriskiem raķešdzinējiem.

Kosmisko raķešu palaišanai nepieciešama īpaša vieta un infrastruktūras komplekss – kosmodroms. Infrastruktūra ietver starta platformu, starta iekārtu, transportēšanas ceļu vai dzelzceļu, transportēšanas iekārtu, montāžas angārus, degvielas uzpildes torni un lidojuma vadības centru. Apdzīvojama kosmosa infrastruktūra, kas piemērota ilgstošam darbam orbītā, ir kosmiskā stacija. Kosmiskās stacijas konstruētas no kopā savienotiem apdzīvojamiem moduļiem, karkasa, radiatoriem, saules bateriju paneļiem. Astronauti un derīgā krava (aparatūra un līdzekļi zinātnisko eksperimentu veikšanai, ūdens, skābeklis) ar kosmosa kuģi tiek nogādāti uz kosmisko staciju, kas atrodas zemā orbītā ap Zemi. Kosmiskais kuģis tiek savienots ar staciju, izmantojot sakabināšanas mehānismu.

Kosmiskais aparāts, kas sagatavots un aprīkots debess ķermeņu izpētei tuvumā, ir starpplanētu zonde (arī kosmiskā zonde). Atsevišķi izšķir Mēness zondi, kas paredzēta Mēness izpētei. Ar starpplanētu zondi tiek pētītas Saules sistēmas planētas un to dabiskie pavadoņi, asteroīdi un komētas. Izpēte tuvplānā dod iespēju iegūt augstas izšķirtspējas attēlus, precīzus magnētiskā lauka mērījumus, iežu ķīmiskā sastāva analīzes u. c., ko nav iespējams iegūt ar novērojumiem uz Zemes. Starpplanētu zonde var būt aprīkota ar nolaižamo aparātu ‒ zondes daļu, kas mīksti nosēžas uz planētas virsmas. Atsevišķos gadījumos zonde projektēta tā, lai spētu piezemēties uz debess ķermeņa virsmas pati. Uz debess ķermeņiem, kam nav atmosfēras, bremzēšanai izmanto raķešdzinējus, bet uz debess ķermeņiem ar atmosfēru – aerodinamisko pretestību, ko rada kapsulas korpuss, kurā ievietots nolaižamais aparāts. Nolaižamais aparāts aprīkots ar foto vai video kamerām, instrumentiem planētas iežu un atmosfēras pētīšanai, kā arī sakaru iekārtu, lai nodrošinātu datu pārraidi uz misijas vadības centru. Nolaižamais aparāts var ietvert arī ar riteņiem aprīkotu pašgājējrobotu jeb roveri (surface rover), ar kuru iespējams pārvietoties pa planētas virsmu, izpētot vairāk iežu paraugu un iegūstot kvalitatīvākas virsmas fotogrāfijas.

Uz debess ķermeņiem, kuriem ir atmosfēra, iespējams samazināt ātrumu no orbitālā līdz nosēšanās ātrumam, izmantojot aerodinamiskus spēkus. Šādus kosmiskos aparātus sauc par atmosfēras laivām. To forma var būt kā kosmoplānam vai kapsulai. Kosmoplānam raksturīga augsta aerodinamiskā kvalitāte un manevrētspēja, kas dod iespēju nolaisties uz skrejceļa kā lidmašīnai vai arī ar izpletni izvēlētajā vietā uz planētas virsmas. Kapsulām ir zema aerodinamiskā kvalitāte un nepieciešams izmantot izpletņa sistēmu. Kapsulu priekšrocība ir to kompaktā forma un vienkāršība. Kapsulas tiek izmantotas gan pilotējamās misijās, astronautiem atgriežoties uz Zemes, gan nolaižamo aparātu un zinātniskās aparatūras nogādāšanai uz Marsa, Veneras vai Titāna virsmas. Kosmoplānus izmanto tikai astronautu vai derīgās kravas nogādāšanai orbītā ap Zemi un/vai atpakaļ uz Zemes virsmas. To izstrāde un ekspluatācija ir dārgāka nekā kapsulām.

Starpplanētu misijās nepieciešams liels laiks pētāmā debess ķermeņa sasniegšanai. Lidojums uz Marsu ilgst vismaz sešus mēnešus, bet uz tālākiem Saules sistēmas debess ķermeņiem – 15 un vairāk gadus. Lielā attālumā no Zemes starpplanētu zondei nepieciešams jaudīgs raidītājs, kā arī liela izmēra antena, lai uz Zemes varētu uztvert vāju signālu.

Kosmosa kuģi, starpplanētu zondes un gandrīz visi ZMP aprīkoti ar neatkarīgiem enerģijas avotiem. Zemes un Marsa tuvumā kā galveno enerģijas avotu izmanto saules baterijas. Tālāk prom no Saules (aiz Jupitera orbītas) galvenais enerģijas avots ir termoradioizotopu ģenerators.

Līdz 19. gs. kosmosa izpēte saistīta ar rakstnieku un filozofu darbiem, bez reālas saiknes ar kosmosa izpētei nepieciešamiem inženiertehniskiem risinājumiem. Franču rakstnieks un inženieris Žils Verns (Jules Gabriel Verne) romānā “No Zemes līdz Mēnesim” (De la Terre à la Lune, 1865) pirmo reizi samērā precīzi aprakstījis pilotējamu ceļojumu uz Mēnesi ar kosmosa kuģi, kas izšaujams no lielgabala. 1903. gadā krievu un padomju izgudrotājs un matemātikas skolotājs Konstantīns Ciolkovskis (Константин Эдуaрдович Циолкoвский) publicēja pirmo tehnisko darbu par reaktīvo kustību, kas ir kosmisko raķešu darbības pamatprincips. 1924. gadā K. Ciolkovskis aprakstīja daudzpakāpju kosmisko raķešu darbības principu un nepieciešamību.

Pēc Pirmā pasaules kara kosmisko raķešu attīstība koncentrējās Vācijā. Pirmais cilvēka radītais objekts kosmiskajā telpā (03.10.1942.) bija vācu V-2 ballistiskā raķete. Tomēr par kosmosa izpētes ēras sākumu uzskata pirmā ZMP Sputnik-1 (Спутник-1) palaišanu 04.10.1957. Šo ZMP palaida Padomju Sociālistisko Republiku Savienība (PSRS), izmantojot modificētu R-7 ballistiskās raķetes versiju Sputnik 11A59 (Спутник 11A59). Pirmais pilotējamais lidojums ārpus Zemes atmosfēras notika 12.04.1961., PSRS kosmonautam Jurijam Gagarinam (Юрий Алексеевич Гагарин) ar kosmosa kuģi Vostok (Восток) apriņķojot Zemi vienu reizi un nolaižoties netālu no Saratovas. Pirmais Amerikas Savienoto Valstu (ASV) astronauts Alans Šepards (Alan Bartlett “Al” Shepard) 05.05.1961. veica lidojumu kosmosā pa ballistisku trajektoriju ar kosmosa kuģi Freedom-7 programmā Merkūrijs (Mercury). Pirmā sieviete kosmosā Valentīna Tereškova (Валентина Владимировна Терешкова) veica lidojumu ar Vostok-6 (Восток-6) 16.06.1963. Jau kopš 1955. gada starp ASV un PSRS pastāvēja kosmosa apgūšanas sacensība (Space Race), kas bija Aukstā kara sastāvdaļa. Viens no abu lielvalstu mērķiem bija pirmajiem nogādāt cilvēkus uz Mēness virsmas. Pirmo nepilotējamo mīksto piezemēšanos uz Mēness virsmas veica PSRS zonde Luna-9 (Луна-9) 1966. gadā. Pirmā astronautu nosēšanās uz Mēness notika 20.07.1969. ASV programmā Apollo.

Pirmais cilvēks, kurš izkāpa uz Mēness virsmas, bija Nīls Ārmstrongs (Neil Alden Armstrong) ASV kosmiskās aģentūras NASA misijas Apollo-11 ietvaros 21.07.1969. Kopā uz Mēness 1969.‒1972. gadā bijuši 12 ASV astronauti. Sākot ar 1970. gadu, savstarpēji konkurējošās kosmosa lielvalstis ‒ ASV un PSRS ‒ nosūtīja vairākas starpplanētu zondes, kas sekmīgi nolaidās uz Veneras un Marsa. Kopš 1971. gada PSRS (un drīz pēc tam arī ASV) orbītā sāka izvietot pastāvīgu apdzīvojamo infrastruktūru – kosmiskās stacijas. Sākotnēji tās kalpoja militārai spiegošanai, vēlāk tika izmantotas civiliem mērķiem – zinātniskiem eksperimentiem mikrogravitācijas apstākļos. Kosmiskais tūrisms aizsākās 28.04.2001. ar amerikāņu inženiera un multimiljonāra Denisa Tito (Dennis Anthony Tito) vizīti Starptautiskajā Kosmiskajā stacijā. 21.06.2004. pirmoreiz pasaulē lidojumu kosmosa telpā veica privāts kosmosa kuģis Space Ship One, tā pilotam Maikam Melvilam (Mike Melvill) sasniedzot 100,1 km augstumu. ASV starpplanētu zonde Voyager-1 25.08.2012. kļuva par pirmo cilvēces radīto objektu, kas šķērsoja heliopauzi, ko pieņem par Saules sistēmas robežu, un ielidoja starpzvaigžņu telpā.

Kosmosa izpēte ir nepārtraukts pētniecisks process. Attīstoties mērinstrumentu un kosmosa kuģu tehnoloģijām, iespējams pētīt jaunus un tālākus debess ķermeņus, kā arī nodrošināt ilgstošāku un komfortablāku astronautu atrašanos kosmosā.

Līdz 2016. gadam tikai trīs valstis nosūtījušas kosmosā astronautus ar pašu būvētiem pilotējamiem kosmosa kuģiem: pilotējamiem kosmoplāniem (Space Shuttle, ASV) vai pilotējamām kapsulām (Soyuz (Союз), Krievija; Orion (testēšanas stadijā), ASV; Shenzhou (神舟), Ķīna). Pilotējamie kosmosa kuģi līdz šim izmantoti tikai astronautu nogādāšanai zemā orbītā ap Zemi, līdz kosmiskajai stacijai vai uz Mēness. Vienīgais pilotējamais kosmoplāns, kas izmantots astronautu un arī kravas transportēšanai, ir Space Shuttle, kurš 1981.‒2011. gadā veica 135 misijas, nogādājot orbītā liela izmēra kravu.

Kosmosa lielvalstu un organizāciju izpētes programmā plānots nogādāt astronautus uz Marsa virsmas, bet vēl nav noteikts (2016. gadā) paredzētās misijas gads.

Lielākais cilvēku radītais objekts, kas kopš 1998. gada atrodas kosmosa telpā, ir Starptautiskā Kosmiskā stacija (International Space station, ISS), kas sver aptuveni 160 tonnas un sastāv no kopā savienotiem apdzīvojamiem moduļiem. Starptautiskā Kosmiskā stacija ir vienīgā pastāvīgi apdzīvojamā struktūra kosmosā, un tās izveidošanā un uzturēšanā piedalās ASV, Krievija, Kanāda, Japāna, Itālija, Vācija, Lielbritānija un vēl vairākas Eiropas valstis. Astronautu uzturēšanās ilgums kosmiskajās stacijās ir no dažām dienām līdz 438 dienām (pašreizējais rekords, uzstādīts PSRS/Krievijas kosmiskajā stacijā Mir, Мир).

Ar starpplanētu zondu palīdzību pētītas visas astoņas lielās Saules sistēmas planētas, pundurplanēta Plutons un daudzi asteroīdi un komētas. Uz Mēness, Veneras, Marsa, Saturna pavadoņa Titāna un dažu asteroīdu un komētu virsmas veikta nolaišanās ar nolaižamajiem aparātiem. Starpplanētu zondes Galileo nolaižamais aparāts 07.10.1995. pētījis arī Jupitera blīvos atmosfēras slāņus. Ar pašgājējrobotiem pētīta Mēness un Marsa virsma. Pirmais pašgājējrobots bija Mēness pašgājējs Lunohod-1 (Луноход-1, PSRS) 16.11.1970. Pirmo pašgājējrobotu uz Marsa virsmas 04.70.1996 nogādāja ASV. No 2016. gada uz Marsa atrodas divi funkcionējoši ASV pašgājējroboti – Opportunity un Curiosity.

Lai starpplanētu zondēm piešķirtu lielāku ātrumu un samazinātu laiku Saules sistēmas ārējo debess ķermeņu sasniegšanai, tiek pētīta iespēja izmantot kodoldzinēju vai saules buras. Plutona sasniegšanai starpplanētu zonde New Horizons lidojumā pavadīja 9,5 gadus.

Kosmosa izpēte saistīta arī ar problēmām un riskiem. Viena no aktuālākajām ‒ Zemes tuvumā zemās orbītās atrodas kosmiskie atkritumi, kas var būt gan veci un vairs nelietojami ZMP, gan to atliekas, fragmenti no pirotehniskajām skrūvēm, nesējraķešu augšējām pakāpēm un citi. Relatīvie ātrumi starp kosmiskajām atlūzām ir lieli, līdz ar to sadursmes gadījumā sekas ir katastrofālas. Tomēr šādu sadursmju varbūtība ir neliela. Līdz šim zināma tikai viena sadursme starp diviem ZMP – aktīvu ASV sakaru ZMP un vairs nefunkcionējošu Krievijas militāro ZMP.

Kosmosa izpētes misiju sagatavošanu, kā arī kosmosa kuģu nogādāšanu orbītā veic starptautiskas vai nacionālas kosmosa izpētes organizācijas, kā arī privātas kompānijas. Kosmisko raķešu izstrādei, kosmodromu izveidei un ekspluatācijai nepieciešami lieli finansiālie resursi, kā arī pieredze un zināšanas daudzās inženierzinātnēs. Lielvalstu nacionālās kosmosa aģentūras ir: ASV ‒ Nacionālā aeronautikas un kosmosa aģentūra NASA (National Aeronautical and Space Administration), Krievijā ‒ Krievijas Federālā kosmosa aģentūra Roskosmos (Государственная корпорация по космической деятельности Роскосмос), Japānā – Japānas Nacionālā kosmosa izpētes aģentūra JAXA (宇宙航空研究開発機構), Francijā – Kosmisko pētījumu nacionālais centrs CNES (Centre National d’Études Spatiales), Vācijā ‒ Vācijas Aerokosmosa centrs DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), Itālijā – Itālijas kosmosa aģentūra ASI (Agencia Spaciale Italiana). Liela daļa Eiropas valstu apvieno resursus Eiropas kosmosa aģentūrā ESA (European Space Agency). Kosmosa aģentūru mērķi ir kosmosa izpētes programmas definēšana, izstrādes projektu sagatavošana un koordinēšana, finansiālo resursu piesaiste, kā arī nepieciešamo tehnoloģiju izstrāde. Kosmosa izpētes lielvalsts ir valsts, kas palaidusi ZMP ar pašas izstrādātu kosmisko raķeti. Kosmosa lielvalstis (2016) ir ASV, Krievija, Ukraina (t. sk. PSRS sastāvā pirms 1990. gada), Ķīna, Indija, Francija, Japāna, Lielbritānija, Izraēla, Irāna un Ziemeļkoreja. Kosmosa izpētes mērķus nacionālās kosmosa aģentūras definē atbilstoši savām stratēģiskajām interesēm un iespējām, tomēr lielai daļai projektu nepieciešama starptautiskā sadarbība finansiālo un intelektuālo resursu dēļ. Lai efektīvāk vadītu kosmosa izpētes attīstību, kopš 2006. gada 14 lielās nacionālās aģentūras apvienojušās Starptautiskajā Kosmosa izpētes koordinēšanas grupā (International Space Exploration Coordination Group, ISECG), kas nosaka kopīgu kosmosa izpētes attīstības stratēģiju un koordinē darbu.

Ar kosmosa izpēti kopš 20. gs. beigām nodarbojas arī privātas kompānijas un bezpeļņas organizācijas ar uzsvaru uz kosmisko tūrismu un Marsa kolonizācijas veicināšanu.

Ievērojamākie kosmodromi, no kuriem palaisti pilotējami kosmosa kuģi, ir Kenedija Kosmosa centrs (Kennedy Space Center) ASV, Baikonuras kosmodroms (kосмодрoм “Байконyр”) Kazahstānā, kā arī Jiuquan starta komplekss (酒泉卫星发射中心) Ķīnā. Starta komplekss var būt arī pārvietojams – ierīkots uz peldošas platformas (piemēram, ASV platforma Sea-Launch Ukrainas raķetes Zenit-3SL (Зенит-3S) palaišanai), uz lidmašīnas (piemēram, ASV privātā raķete Pegasus) vai uz zemūdenes (piemēram, Krievijas Shtil, Штиль).

Kosmiskā telpa un debess ķermeņi nepieder nevienai valstij vai organizācijai, katram ir tiesības uz izpēti un brīvu pārvietošanos tajā. Kosmosa izpēti juridiski regulē starptautiskas vienošanās un līgumi. Apvienoto Nāciju Organizācijas Kosmosa lietu birojs (United Nations Office for Outer Space Affairs) izstrādā kosmosa izpētes un apguves pamatlikumus.

Nozīmīgākie periodiskie izdevumi ir AIAA Journal, (kopš 1963, American Institute of Aeronautics and Astronautics), Journal of Guidance, Control, and Dynamics (kopš 1978, American Institute of Aeronautics and Astronautics), Aviation Week & Space Technology (kopš 1916, Penton Media), Jane’s Space Directory (kopš 1984, Jane’s Space Systems & Industry), Spaceflightnow (kopš 1999, Spaceflight Now Inc), Aerospatium (kopš 2015, Aerospatium SAS), Air et Cosmos (kopš 1963, Editions Air & Cosmos).

Ievērojamākie kosmosa pētnieki un inženieri: krievu matemātiķis, inženieris, raķešu reaktīvās kustības teorijas pamatlicējs K. Ciolkovskis; padomju raķešu inženieris, ballistisko un kosmisko raķešu projektētājs Sergejs Koroļovs (Сергей Пaвлович Королёв). S. Koroļovs izgudrojis raķeti R-7, ar kuru kosmosā tika nogādāts pirmais kosmonauts pasaulē J. Gagarins. Vācijas (vēlāk ASV) raķešu inženieris Verners fon Brauns (Wernher von Braun) izgudrojis pirmo kosmisko raķeti V-2, vēlāk – ASV raķeti Saturn-5, kas nogādāja ASV astronautus uz Mēness. Dienvidāfrikas-Kanādas-ASV inženieris un izgudrotājs Īlons Masks (Elon Musk) dibinājis ASV kosmosa tehnikas ražošanas kompāniju SpaceX (2002), kas izstrādāja kosmiskās raķetes Falcon un atmosfēras laivu Dragon – vienīgo privāto kosmosa kuģi, kas savienojies ar Starptautisko Kosmisko staciju.