Již 60. let je NASA součástí průzkumu naší planety, sluneční soustavy a celého vesmíru. Stojí za řadou vylepšení v oblasti civilního a vojenského letectví a s její pomocí došlo i k rozvoji komerčních vesmírných letů. Z diplomatického hlediska je součástí velkého množství mezinárodních spoluprací v oblasti výzkumu vesmíru.
Na počátku byl start sondy Pioneer I a program Mercury. Jedním z největších úspěchů agentury byl program Apollo. Hlavním cílem programu se v roce 1961, po prohlášení tehdejšího prezidenta J. F. Kennedyho, stalo dopravení člověka na měsíc. Přes počáteční neúspěch s Apollem 1 se hlavním milníkem celého programu stal let Apolla 11 v roce 1969, kdy se Neil Armstrong a Buzz Aldrin stali prvními lidmi, kteří přistáli na měsíci. Za celou dobu programu se na povrch měsíce podívalo dvanáct astronautů. Program byl ukončen v roce 1972 kvůli nízkému zájmu veřejnosti a škrtům v rozpočtu nebo válce ve Vietnamu.
Dalším úspěchem se stala Americko-Ruská spolupráce, let Apollo-Sojuz, která vyústila v řadu dalších společných projektů, vývoj raketoplánů, které napomohly vynesení Hubbleova teleskopu na oběžnou dráhu Země a v neposlední řadě stavba Mezinárodní vesmírné stanice ISS. NASA si také připomíná piloty a členy posádek, kteří zahynuli při letech Apolla 1, Columbie a Challengeru.
Na úplném začátku stál Národní poradní výbor pro letectví (NACA), který se v 50. letech obrátil ke kosmickému výzkumu. NASA vznikla jako reakce na sovětský úspěch s lodi Sputnik, který měl za následek zpochybnění americké technologické nadřazenosti. NASA zároveň převzala veškerý majetek a zaměstnance NACA a již v počátcích byla směřována na vyslání člověka do vesmíru. V současné době se agentura snaží především prozkoumat Mars kvůli případnému vyslání člověka na tzv. Rudou planetu. Také se věnuje výzkumu na ISS i na zemi v oblasti klimatických změn a fungování naší planety.