Některé kosmické lodě jsou postaveny tak, aby přiletěly a zůstaly na oběžné dráze. Orbitální sonda vstupuje na oběžnou dráhu cílového tělesa a studuje ho měsíce nebo roky, přičemž shromažďuje data během mnoha průletů, nikoli během krátkého průletu.

Kompromisem je palivo. Vstup na oběžnou dráhu kolem vzdálené planety vyžaduje velkou změnu rychlosti, což znamená buď těžký pohonný systém, nebo pomalý, palivově úsporný přístup s využitím gravitačních asistencí a aerobrakingu.

Pozoruhodné orbitery

• Průzkumná sonda Mars
• Cassini u Saturnu
• Lunární průzkumný orbitální sonda
• Juno u Jupiteru

Orbitální sondy často nesou více přístrojů: kamery, spektrometry, radar a magnetometry. Data se vracejí pomalu přes malé rádiové spojení, takže palubní úložiště a komprese jsou stejně důležité jako samotné přístroje.