Theo Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia, các phi hành gia được gửi vào không gian để vận hành Trạm Vũ trụ Quốc tế, giúp phát triển các chuyến bay vũ trụ thương mại, điều tra khả năng con người khám phá không gian sâu, phát triển công nghệ mới và tiến hành nghiên cứu trong một nhiều lĩnh vực khoa học. Nhiều khía cạnh của các nghiên cứu khoa học về Trái đất và phần còn lại của vũ trụ dễ dàng tiến hành hơn từ không gian.
Một số lĩnh vực nghiên cứu cụ thể mà các phi hành gia khám phá trong không gian bao gồm khí quyển Trái đất và biến đổi khí hậu, nguồn gốc của hệ mặt trời và vũ trụ, từ trường Trái đất, thành phần của các hành tinh và tiểu hành tinh, vật chất tối, lỗ đen và các thiên hà khác. Các phi hành gia cũng hỗ trợ phát triển công nghệ tiên tiến trong các lĩnh vực như vệ tinh, bộ vũ trụ, tàu vũ trụ, người máy và nhiều lĩnh vực nghiên cứu tiên tiến khác.
Các phi hành gia trên Trạm Vũ trụ Quốc tế sử dụng môi trường trọng lực thấp đặc biệt để tiến hành nghiên cứu phát triển vắc xin, cứu trợ thảm họa và trồng trọt, công nghệ lọc nước, công nghệ y tế phẫu thuật thần kinh, siêu âm và y tế từ xa. Trong tương lai, các phi hành gia đang nghĩ ra công nghệ và kỹ thuật để vận chuyển hàng hóa từ Trái đất lên không gian và quay trở lại, chế tạo tàu vũ trụ thân thiện với môi trường hơn, hạ cánh một người trên một tiểu hành tinh và cuối cùng là hạ cánh an toàn lên sao Hỏa.
