Появу космонавтики зумовили нові запити людства щодо дослідження космосу. Отже, головними завданнями для цієї галузі астрономії стали виведення штучного супутника Землі на її орбіту, політ людини в космічний простір, висадка людини на поверхню Місяця, освоєння планет, розташованих в межах Сонячної системи та за її межами, а також здійснення експедицій до далеких зір. Нині перебування людини в космосі вже не є дивиною, проте людство зробило лише кілька перших кроків тривалого та захоплюючого шляху, який належить подолати космонавтиці.

Космонавтика — це комплексна науково-технічна галузь, що займається дослідженням та використанням космічного простору за допомогою автоматичних і пілотованих космічних апаратів

Значний внесок у створення наукових основ космонавтики, пілотованих космічних кораблів та автоматичних міжпланетних станцій зробили українські вчені. Зокрема, Ю. Кондратюк (О. Шаргей) у 1918 р. обчислив траекторію польоту на Місяць. Пізніше вона була застосована американськими ученими під час підготовки космічних експедицій «Аполлон».

Початок космічної ери було покладено 4 жовтня 1957 р., коли відбувся запуск ШСЗ під керівництвом С. Корольова. Цей видатний конструктор перших у світі космічних кораблів і міжпланетних станцій народився, виріс і отримав освіту за фахом авіційного конструктора в Україні (Київський політехнічний інститут). Корольов очолював створення АМС, які перші в історії космонавтики досягли Місяця, Венери та Марса. Але найбільшим досягненням на той час став перший пілотований політ космічного корабля «Восток», на якому 12 квітня 1961 року льотчик-космонавт Ю. Гагарін здійснив космічну подорож. Відтоді цю дату по всьому світу відзначають як Всесвітній день космонавтики, а Корольова називають батьком космонавтики.

Ще однією історичною подією на шляху підкорення людиною космічного простору стала славнозвісна місячна експедиція американських астронавтів Армстронга, Коллінза й Олдріна, що тривала 16-24 липня 1969 р.

Протягом ХХ ст. у розвиток дослідження космічного простору значний внесок зробили космонавти-українці: В. Ляхов, Г. Береговий, В. Жолобов, Л. Кизим, А. Левченко, П. Попович, Г. Шонін, А. Арцебарський, Л. Каденюк (перший космонавт незалежної України).

Орбітальні станції відкрили людству нові можливості у дослідженні космічного простору. Вони стали стаціонарними науковими базами, оснащеними лабораторіями для проведення різних експериментів, спостережень і дослідів. Створення на орбітальній станції комфортабельних умов для проживання дозволило людині перебувати в космосі тривалий час — від кількох днів до кількох місяців.

Уперше запуск гігантських орбітальних станцій — радянської «Салют» та американської «Скайлеб» відбулося в 1970-ті рр. Одним із головних завдань, які ставили перед собою конструктори цих станцій, було дослідити, як впливає на організм людини тривале перебування в космосі.

У 1986 р. на навколоземну орбіту була виведена станція «Мир». Протягом років існування на ній було проведено чимало наукових програм.

Починаючи з 1998 р. космічний простір активно досліджують учені різних держав, працюючи на Міжнародній космічній станції (МКС). Цю пілотовану орбітальну станцію використовують як багатоцільовий космічний дослідницький комплекс. МКС — спільний міжнародний проект, у якому беруть участь 14 держав — США, Росія, Японія, Канада та країни, що входять до Європейського космічного агентства. Основною метою створення станції стала можливість проведення експериментів, які потребують наявності унікальних умов космічного польоту. Головними галузями досліджень на МКС є біологія, фізика, астрономія, космологія та метеорологія.

Метою, яку ставить перед собою міжнародна космонавтика, є освоєння найближчим часом Марсу. Тож нині розробляється відповідна програма. Під час міжпланетних польотів космічний апарат (КА) буде летіти по еліпсу, у фокусі якого перебуває Сонце. Найвигідніша траєкторія з найменшою витратою енергії пролягатиме по еліпсу, який є дотичним до орбіт Землі й Марса. Точки старту та прильоту лежать на одній прямій по різні боки від Сонця. Такий політ в один бік триватиме понад 8 місяців. Космонавтам, які в недалекому майбутньому відвідають Марс, треба врахувати, що одразу повернутися на Землю вони не зможуть. Справа в тому, що наша планета рухається по орбіті швидше, ніж Марс, і через 8 місяців його випередить. Для повернення космонавтам доведеться чекати на Марсі ще 8 місяців, поки Земля знову займе вигідне положення. Тобто загальна тривалість експедиції на Марс становитиме близько двох років.