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.