La recherche aéronautique relève également du domaine de la NASA. Depuis sa création le 29 juillet 1958, la NASA joue mondialement un rôle dominant dans le domaine du vol spatial habité, de l'exploration du Système solaire et de la recherche spatiale. Parmi les réalisations les plus marquantes de l'agence figurent les programmes spatiaux habités Apollo, la navette spatiale américaine, la Station spatiale internationale (en coopération avec plusieurs pays), les télescopes spatiaux comme Hubble et Kepler, l'exploration de Mars par les sondes spatiales Viking, Mars Exploration Rover et Curiosity, ainsi que celle de Jupiter, Saturne et Pluton par les sondes Pioneer, Voyager, Galileo, Cassini-Huygens et New Horizons.
La NASA est créée le 29 juillet 1958 pour administrer et réaliser les projets relevant de l'astronautique civile, jusque-là pris en charge par les différentes branches des forces armées des États-Unis, afin de rattraper l'avance prise par l'Union soviétique.
Le programme spatial habité de la NASA est depuis 2009 en cours de restructuration à la suite du retrait de la navette spatiale américaine en 2011 et de l'abandon du programme Constellation en raison de problèmes de conception et de financement. La présidence de Barack Obama, suivant les recommandations de la commission Augustine, décide d'abandonner le projet de retour d'astronautes sur le sol lunaire à l'horizon 2020 au profit d'une démarche d'exploration plus progressive qui doit être précédée par des recherches poussées notamment dans le domaine de la propulsion. Dans cette optique sont mis en chantier le développement du lanceur lourd Space Launch System et de la capsule associée Orion dans le cadre du programme Artemis. Pour pallier l'absence de système de desserte de la Station spatiale internationale après le retrait de la navette spatiale, la NASA s'appuie au cours de la décennie 2010 sur le secteur privé, qui doit la prendre en charge.
