Самые ценные и точные исследования, наблюдения и измерения проводятся вне земной атмосферы — на искусственных спутниках, космических зондах и научно-исследовательских станциях. Только там можно провести многие эксперименты, невозможные на поверхности Земли, а также избежать неточностей, вызванных влиянием земной атмосферы. В 1990 году на околоземную орбиту, на высоту около 600 км, была выведена орбитальная обсерватория, снабжённая телескопом Хаббла с диаметром зеркала 2,4 м. Благодаря этому стало возможным наблюдение за объектами гораздо более отдалёнными, чем те, за которыми можно наблюдать при помощи наземных телескопов. Планируется, что эта обсерватория будет работать до 2009 года, затем её снимут с орбиты и заменят более современной.
Строительство космических станций требует выходов в открытый космос.
