Algunas naves espaciales están diseñadas para llegar y permanecer en el espacio. Un orbitador entra en órbita alrededor de un cuerpo celeste y lo estudia durante meses o años, recopilando datos a lo largo de múltiples pasadas en lugar de durante un breve sobrevuelo.

La desventaja radica en el combustible. Entrar en órbita alrededor de un planeta distante requiere un gran cambio de velocidad, lo que implica un sistema de propulsión pesado o una aproximación lenta y eficiente en consumo de combustible mediante la asistencia gravitatoria y el frenado aerodinámico.

Orbitadores notables

• Orbitador de reconocimiento de Marte
• Cassini en Saturno
• Orbitador de reconocimiento lunar
• Juno en Júpiter

Las naves orbitales suelen llevar varios instrumentos: cámaras, espectrómetros, radar y magnetómetros. Los datos se transmiten lentamente a través de un pequeño enlace de radio, por lo que el almacenamiento y la compresión a bordo son tan importantes como los propios instrumentos.