Já em 31 de janeiro de 1958, os Estados Unidos conseguiram lançar o seu primeiro satélite, o Explorer 1, responsável pela descoberta do cinturão radioativo de Van Allen. Seguiram-se mais Explorers e Vanguards americanos e mais Sputniks soviéticos, e assim por diante. Estava aberto o caminho.
Enquanto persistiam no desbravamento da atmosfera terrestre e seus arredores, os cientistas soviéticos e americanos também começavam a arriscar suas primeiras tentativas de lançar satélites rumo à Lua. A soviética Luna 1, lançada em 2 de janeiro de 1959, embora não tenha acertado o caminho da Lua, foi a primeira sonda lunar. A Luna 3 enviou a primeira fotografia do lado oculto da Lua, em outubro de 1959 (apenas 2 anos após o lançamento do Sputnik 1). A Pioneer 4, lançada em 3 de março de 1959, foi o primeiro satélite americano a escapar da gravidade terrestre. Passou a 60.000 km da Lua, semanas após a Luna 1 russa também ter errado a Lua (por 5.000 km); porém, não transmitiu nenhuma informação relevante.
Nesta época, já os primeiros satélites militares eram lançados, com o objetivo de efetuar o reconhecimento fotográfico do território inimigo. As duas grandes potências desenvolviam e testavam ICBMs (Intercontinental Balistical Missiles) capazes de carregar ogivas nucleares. Os norte-americanos ativavam seu projeto ultra-secreto KH-1, que contava com os satélites Discoverer (o Discoverer 1 foi lançado em 28 de fevereiro de 1959). Em 18 de agosto de 1960 o satélite Discoverer 14 subiu equipado com a primeira câmara fotográfica Corona. Apenas em 11 de dezembro de 1961 os soviéticos tentaram lançar, sem sucesso, o satélite espião Zenit 1. No dia seguinte, 12 de dezembro, os americanos lançaram o Discoverer 36, que já fazia parte do projeto KH-3.
Em 1 de abril de 1960 os norte-americanos lançaram seu primeiro satélite meteorológico bem sucedido, o Tiros 1, e em 10 de julho de 1962 lançaram o primeiro satélite de comunicações, o Telstar 1.
Além de outras sondas com destino à Lua (como as americanas Ranger, Surveyor e Lunar Orbiter), também os planetas Vênus e Marte passaram a ser alvo da corrida espacial. As naves soviéticas das séries Mars (a partir de outubro de 1960) e Venera (a partir de fevereiro de 1961) e algumas norte-americanas Pioneer (a partir de março de 1960) e Mariner (a partir de julho de 1962) desempenharam importantíssimo papel na descoberta das características dos planetas nossos vizinhos e seu espaço circundante, bem como do Sol.
Em 15 de setembro de 1968 os soviéticos lançaram a nave Zond 5 (na realidade, uma cápsula Soyuz automática), o primeiro artefato humano a orbitar a Lua e retornar à Terra.
Outros feitos dignos de nota ocorreram após o pouso da Apollo 11 na Lua (21 de julho de 1969): a sonda soviética Luna 16, lançada em 12 de setembro de 1970, pousou na Lua e trouxe cerca de 100 gramas de solo lunar de volta para a Terra, fato repetido posteriormente pelas sondas Luna 20 e Luna 24. A nave Luna 17, lançada em 10 de novembro de 1970, carregava o robô automático Lunokhod 1, equipado com câmaras de televisão (extremamente nítidas) e diversos instrumentos científicos destinados a analisar o solo lunar. A Luna 21, lançada em 8 de janeiro de 1973, carregava o Lunokhod 2, uma versão ligeiramente mais evoluída.
Também Mercúrio foi visitado por uma sonda, a Mariner 10, entre março de 1974 e março de 1975. Novas gerações de sondas planetárias se sucederam, como as americanas Viking a partir de agosto de 1975) e Voyager (a partir de setembro de 1977) e as soviéticas Prognoz (abril de 1972 a agosto de 1996), VeGa (dezembro de 1984) e Phobos (julho de 1988), as sondas japonesas Sakigake e Suisei (janeiro e agosto de 1985), a sonda da Agência Espacial Européia, Giotto (julho de 1985), as americanas Lunar Prospector (julho de 1988), Galileo (outubro de 1989) e Mars Pathfinder (1995) com seu robô-miniatura Sojourner. Os alvos: Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno, o Sol e diversos cometas.