Zimna wojna trwała. Stany Zjednoczone i Związek Sowiecki prześcigały się w prezentowaniu nowych technologii, które miały przestraszyć przeciwnika i udowodnić wyższość własnej myśli technicznej nad wrogiem.
4 października 1957 roku Sowieci zaskoczyli Amerykanów. Wystrzelili w przestrzeń kosmiczną pierwszego sztucznego satelitę, Sputnik 1. Był on wielkości piłki do koszykówki i okrążył Ziemię w ciągu 98 minut. Waszyngton zaczął obawiać się, że Moskwa ma teraz możliwość zaatakowania Ameryki i Europy bronią jądrową. Do tej pory to Stany Zjednoczone szczyciły się swoim postępem technologicznym, tymczasem to Związek Sowiecki udowodnił, że prace nad nowymi rodzajami broni postępują szybciej, niż sądzono.
Kongres zaapelował do prezydenta Dwighta D. Eisenhowera o przyspieszenie badań i szybszy rozwój technologii kosmicznych, niezbędnych, aby konkurować z Sowietami (prace nad satelitą trwały od 1954 roku). Nowa agencja federalna miała służyć prowadzeniu wszelkiej działalności w przestrzeni kosmicznej, w tym niewojskowej. W tym czasie powołano do życia DARPA - Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności. Wyścig kosmiczny rozpoczął się.
Przygotowania do wystrzelenia pierwszego amerykańskiego satelity trwały, tymczasem Sowieci wystrzelili w kosmos drugiego Sputnika. Tym razem na jego pokładzie znalazło się żywe stworzenie – pies o imieniu Łajka, który stał się zarazem pierwszym żywym organizmem w kosmosie. Nie było możliwości sprowadzenia go z powrotem na Ziemię, więc pies miał być uśpiony w 10 dniu lotu, jednak - jak po latach wyznał koordynator misji Sputnik 2 - pies zginął po kilku godzinach, w wyniku wysokiej temperatury i stresu.
Amerykanie prowadzili własne próby – pierwsza okazała się kompletnie nieudana. Satelita Vanguard eksplodował chwilę po starcie. Przełom nastąpił dopiero po trzech miesiącach. 31 stycznia 1958 roku Stany Zjednoczone wystrzeliły swojego pierwszego satelitę, Explorer 1, który z powodzeniem okrążył Ziemię. Był to pierwszy satelita badawczy. Odkrył on m.in. promieniowanie nazwane później pasami Van Allena.
29 lipca tego samego roku Kongres Stanów Zjednoczonych powołał do życia agencję kosmiczną NASA. Potwierdzono także, że kraj włącza się w wyścig kosmiczny i zamierza tę rywalizację wygrać.
Kluczową rolę w rozwoju amerykańskiego programu kosmicznego miał Wernher von Braun, były członek partii NSDAP, oficer SS i twórca niemieckich rakiet V2, który po II wojnie został amerykańskim obywatelem. To dzięki niemu i wprowadzonym przez niego rozwiązaniom, przejętym z niemieckiego programu budowy rakiet, Amerykanie ostatecznie stanęli na Księżycu.
Pierwsze programy NASA dotyczyły przede wszystkim załogowych lotów kosmicznych. Należało sprawdzić, czy człowiek jest w stanie przebywać w kosmosie, a jeśli tak, to jak długo. Pierwszym człowiekiem, który znalazł się w przestrzeni kosmicznej był Alan Shepard, pilotujący statek Freedom 7 (5 maja 1961 roku).
Dalsze projekty badawcze dotyczyły możliwości lądowania na Księżycu. W maju 1961 roku prezydent John F. Kennedy oświadczył, że do końca dekady Ameryka powinna umieścić człowieka na „srebrnym globie”. 20 lipca 1969 roku do historii przeszła misja Apollo 11, kiedy astronauta Neil Armstrong jako pierwszy człowiek postawił stopę na Księżycu, wygłaszając słynne zdanie „To jeden mały krok dla człowieka, jeden wielki skok dla ludzkości”.
NASA poczyniła od tego czasu ogromne postępy w eksploracji kosmosu. Projekty badawcze obejmują lepsze poznanie takich obiektów kosmicznych, jak Słońce, Merkury, Mars, Jowisz, Saturn i Pluton. Agencja odegrała także ważną rolę w budowie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, lecz poniosła również bardzo dotkliwe porażki, jak katastrofy, w których zginęły załogi promu kosmicznego Challenger w 1986 roku i promu kosmicznego Columbia w 2003 roku.