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Il volo spaziale è un processo attraverso il quale un veicolo spaziale (chiamato anche navicella spaziale) si muove al di fuori dell'atmosfera di un qualsiasi corpo celeste. A differenza del volo atmosferico compiuto dagli aerei, il volo nello spazio non si basa sulla portanza generata dalle ali e dovuta al movimento dell'aria intorno ad esse (aerodinamica), bensì è governato unicamente dalla legge di gravitazione universale e dai principi dell'astrodinamica. Per questo motivo la forma dei veicoli spaziali è profondamente diversa da qualsiasi tipo di velivolo utilizzato nell'atmosfera terrestre. Il volo spaziale è utilizzato nell'esplorazione dello spazio, l'osservazione dell'universo, la sorveglianza satellitare e l'osservazione della Terra tramite satelliti in orbita, così come in attività commerciali come il turismo spaziale e le telecomunicazioni satellitari. Esempi di volo nello spazio sono l'allunaggio del programma Apollo, i voli dello Space Shuttle, i satelliti in orbita intorno alla Terra e le sonde automatiche inviate su altri pianeti per la loro esplorazione. Generalmente, un volo spaziale inizia dalla superficie di un corpo celeste con il lancio del veicolo tramite un razzo vettore (detto anche lanciatore) che ha il compito di fornire la spinta iniziale necessaria per contrastare la forza di gravità e far lasciare la superficie e l'atmosfera del corpo (se presente) alla navicella. Una volta raggiunto lo spazio quest'ultima prosegue nel suo viaggio o sempre tramite l'ausilio di un razzo vettore (o di una sua parte, detta stadio) oppure in autonomia con un proprio sistema di propulsione. In questa fase, ogni veicolo spaziale segue una traiettoria di movimento intorno ai corpi celesti che viene chiamata orbita.

La realizzazione di una missione spaziale umana su Marte è uno degli obiettivi a lungo termine fissati dall'astronautica fin dal suo inizio. Ritenuta inizialmente un tema della fantascienza, è diventata per alcuni scienziati, in seguito allo sbarco dell'uomo sulla Luna avvenuto nel 1969, la prossima fase dell'esplorazione dello spazio. Tuttavia il successo di questo progetto richiede risorse finanziarie ancora ben al di sopra di quelle del programma Apollo, che si era realizzato in presenza di una combinazione particolarmente favorevole di circostanze: la guerra fredda e la ripresa economica. Il volo con equipaggio su Marte è anche una sfida tecnica e umana di dimensioni incomparabili rispetto a quella che si è affrontata per il volo verso la Luna. Infatti entrano in gioco dei fattori quali la dimensione di una nave spaziale destinata alla spedizione, il sistema di supporto vitale a circuito chiuso destinato a funzionare per almeno 900 giorni e la garanzia di una prolungata affidabilità. Inoltre vanno presi in considerazione anche i problemi psicologici di un equipaggio confinato in un piccolo spazio in un ambiente stressante, i problemi fisiologici derivanti dall'assenza di gravità per periodi prolungati e l'effetto delle radiazioni sul corpo umano.

L'esplorazione spaziale è l'esplorazione materiale dello spazio eseguita mediante veicoli spaziali, con o senza equipaggio a bordo. Rientra all'interno dell'astronautica.

L'esplorazione della Luna è avvenuta sia attraverso sonde robotiche, sia direttamente tramite equipaggi umani. La prima missione per l'esplorazione della Luna è stata la sonda Luna 1 lanciata dall'Unione Sovietica nel 1959 nell'ambito del Programma Luna. La missione eseguì un sorvolo ravvicinato del satellite, ma "mancò" la superficie, obiettivo che venne raggiunto il 14 settembre 1959 dalla successiva Luna 2. Nell'ottobre del 1959 la sonda sovietica Luna 3 ottenne la prima immagine della faccia nascosta. Sempre all'Unione Sovietica spetta il primato del primo lander (Luna 9, 1966) e del primo orbiter (Luna 10, 1966). Gli Stati Uniti risposero con i Programmi Pioneer e Ranger e, grazie al Programma Apollo, riuscirono con l'Apollo 11 a compiere il 20 luglio 1969 il primo atterraggio umano sulla superficie della Luna. Durante le missioni Apollo furono raccolti e portati sulla Terra 381,7 kg di campioni del suolo e delle rocce lunari. Nonostante il successo delle missioni Apollo, l'interesse dell'opinione pubblica statunitense per l'esplorazione lunare calò notevolmente e ciò determinò l'interruzione anticipata del Programma Apollo e la cessazione di missioni dedicate esplicitamente all'esplorazione della Luna. Il processo di esplorazione è ripreso nel 1990 con la prima missione giapponese, Hiten, seguita nel 1994 dalla statunitense Clementine. Proprio l'individuazione di possibili tracce di ghiaccio d'acqua in prossimità dei poli lunari da parte di quest'ultima ha generato un rinnovato interesse per la Luna che negli anni duemila ha condotto al lancio di missioni lunari da parte delle agenzie spaziali statunitense, europea, giapponese, cinese ed indiana. La Cina, la Russia e gli Stati Uniti, inoltre, hanno reso noto di voler riportare un equipaggio umano sulla superficie lunare e di valutare l'opportunità di stabilirvi una base di ricerca permanente.

Fino alla data odierna, solo 12 astronauti, tutti statunitensi, hanno camminato sulla superficie della Luna. Tutti facevano parte del programma Apollo. Gli astronauti lunari, elencati in ordine cronologico (con indicazione dell'effettivo contatto con il suolo lunare), furono:

Apollo 17 è stata l'undicesima e ultima missione con equipaggio umano del programma spaziale Apollo della NASA. Il lancio del razzo vettore Saturn V avvenne il 7 dicembre 1972 alle 05:33:00 UTC da Cape Canaveral, Florida, con a bordo un equipaggio composto da tre astronauti: il comandante Eugene Cernan, il pilota del modulo di comando Ron Evans e il pilota del LEM e geologo Harrison Schmitt (l'unico scienziato-astronauta a mettere piede sul suolo lunare). Ad oggi si tratta dell'ultimo volo spaziale con equipaggio umano a superare l'orbita terrestre bassa e l'unico lancio notturno di tutto il programma Apollo. Schmitt rimane l'ultimo uomo ad aver messo piede sul suolo lunare, mentre Cernan l'ultimo ad averne lasciato la superficie.Apollo 17 fu anche la terza missione di "tipo J", caratterizzata da una permanenza di tre giorni sulla Luna, da un'intensa serie di studi scientifici e dall'utilizzo del terzo rover lunare per gli spostamenti degli astronauti sulla superficie. Nonostante la somiglianza con le due precedenti missioni, Apollo 15 e 16, gli obiettivi raggiunti e gli esperimenti effettuati, nonché la presenza di un geologo a bordo, hanno reso questa missione unica rispetto alle altre.Mentre Evans rimase in orbita a bordo del modulo di comando, Cernan e Schmitt raggiunsero la superficie lunare allunando nella valle Taurus-Littrow. Durante la loro permanenza compirono tre attività extraveicolari in cui raccolsero diversi campioni lunari e utilizzarono strumentazioni scientifiche. Cernan, Evans e Schmitt rientrarono a Terra il 19 dicembre, dopo una missione della durata di circa 12 giorni.La possibilità di analizzare materiale lunare di un altopiano più antico dell'impatto che aveva condotto alla formazione del Mare Imbrium, fu una delle ragioni principali che condusse alla scelta della valle Taurus-Littrow; inoltre, i pianificatori della missione ritenevano che da lì sarebbe stato possibile raggiungere un sito nel quale si supponeva che si fosse verificata dell'attività vulcanica. La valle inoltre offriva una migliore copertura orbitale e la possibilità di un efficiente utilizzo del rover.Apollo 17 superò anche diversi record stabiliti dalle missioni precedenti, tra cui il più lungo soggiorno sulla superficie della Luna, la durata complessivamente più lunga delle attività extraveicolari lunari, la più alta quantità di campioni raccolti e la più lunga permanenza in orbita lunare.

Apollo 13 è stata una missione spaziale statunitense, parte del programma Apollo decollata l'11 aprile 1970 alle ore 13:13 CST dal Kennedy Space Center (Pad 39). Doveva essere la terza missione a sbarcare sulla Luna dopo quelle di Apollo 11 e Apollo 12, ma è diventata celebre per il guasto che impedì l'allunaggio e rese difficoltoso il rientro sulla Terra. Un'esplosione nel modulo di servizio danneggiò molti equipaggiamenti, riducendo notevolmente la disponibilità di energia elettrica e di ossigeno. Con il Modulo di Servizio seriamente danneggiato dall'esplosione, i tre astronauti furono costretti a trasferirsi nel Modulo Lunare "Aquarius", utilizzandolo come navicella per il ritorno anziché come mezzo per atterrare sulla Luna. Sfruttando una traiettoria di rientro libero attorno alla Luna volò a una distanza di 254 chilometri dalla superficie della faccia nascosta della Luna, stabilendo così il record, tutt'oggi detenuto, della massima distanza raggiunta da un essere umano dalla Terra: 400 171 km. Dopo avere affrontato numerose difficoltà la navicella rientrò sulla Terra il 17 aprile. Durante il rientro in atmosfera il blackout radio durò per 86 secondi più del previsto, uno dei blackout radio più lunghi del programma Apollo. Il ritorno, durato quattro giorni, fu freddo, scomodo e teso. La missione Apollo 13 è tuttavia servita per dimostrare la capacità del programma di affrontare situazioni di crisi imprevedibili, portando in salvo tutto l'equipaggio.