Các tàu thăm dò không gian mang các thiết bị vào không gian để thực hiện các phép đo không thể thực hiện trên Trái đất. Nhiệt độ, quang phổ, từ trường và bức xạ chỉ bao gồm một số loại hiện tượng được đo. Các tàu thăm dò không gian đi trên đỉnh tên lửa, sau đó tách ra và thiết lập hành trình dựa trên hướng dẫn của các nhà khai thác trên Trái đất và các hướng dẫn được lập trình sẵn trên tàu. Khi đến nơi, các thiết bị bắt đầu đo và truyền chúng trở lại Trái đất.
Các tàu thăm dò không gian thường mang theo một gói thiết bị dựa trên sứ mệnh, thiết bị liên lạc để truyền dữ liệu và hệ thống hướng dẫn. Nguồn điện trên tàu đến từ pin hoặc tế bào nhiên liệu cho các nhiệm vụ ngắn, các tấm pin mặt trời để nghiên cứu các hành tinh bên trong hoặc một lò phản ứng hạt nhân nhỏ để du hành đến các hành tinh bên ngoài. Sau khi được phóng, các tàu thăm dò không gian sẽ tự di chuyển đến đích của chúng. Trong một số trường hợp, súng cao su hấp dẫn có thể giúp tăng tốc tàu thăm dò bằng cách sử dụng lực hấp dẫn của một vật thể khác, chẳng hạn như mặt trăng, để kéo tàu thăm dò về đích.
Khi đến, các tàu thăm dò không gian có thể bay theo điểm đến của chúng, thực hiện các quan sát khi chúng di chuyển, đi vào quỹ đạo hoặc xuống bề mặt. Đôi khi, một tàu thăm dò quay quanh quỹ đạo trong một khoảng thời gian và sau đó, khi nhiệm vụ của nó kết thúc, nó lao vào hành tinh, truyền dữ liệu cho đến khi nó bị phá hủy.
Bởi vì chúng không có người lái, các tàu thăm dò không gian có một số lợi thế thực sự. Họ có thể đo dữ liệu trong các môi trường rất thù địch, chẳng hạn như bề mặt nóng của sao Kim hoặc các hồ mêtan trên Titan, mặt trăng lớn nhất của sao Thổ. Chúng có thể thực hiện những chuyến đi rất dài mà không có các nguồn hỗ trợ sự sống quan trọng, chẳng hạn như oxy, nước và thức ăn.
Các tàu thăm dò không gian ban đầu được phóng vào những năm 1950 đã thực hiện các phép đo xung quanh Trái đất và mặt trăng. Vào đầu những năm 1960, các tàu thăm dò không gian đã khám phá Sao Kim và Sao Hỏa, cung cấp cho các nhà quan sát Trái đất dữ liệu thực tế đầu tiên của họ về các hành tinh này. Các tàu thăm dò không gian tới các hành tinh lớn bên ngoài, được phóng vào những năm 1970, đã thực hiện một số khám phá quan trọng. Tàu du hành 1, được phóng vào năm 1977, lần đầu tiên khám phá Sao Mộc và Sao Thổ, sau đó được dẫn đường để khám phá không gian sâu. Nó vẫn truyền dữ liệu khi di chuyển ngoài hệ mặt trời. Vào những năm 1980, các tàu thăm dò không gian mới quay quanh các hành tinh bên ngoài và mặt trăng của chúng để phục vụ cho quá trình nghiên cứu mở rộng, gửi lại hàng nghìn bức ảnh cùng với dữ liệu vật lý khác để phân tích.
