Certains engins spatiaux sont conçus pour arriver sur place et y rester. Un orbiteur se place en orbite autour d'un corps céleste cible et l'étudie pendant des mois, voire des années, en collectant des données lors de nombreux passages plutôt que lors d'un bref survol.

Le compromis réside dans le carburant. Se mettre en orbite autour d'une planète lointaine nécessite un changement de vitesse important, ce qui implique soit un système de propulsion lourd, soit une approche lente et économe en carburant utilisant l'assistance gravitationnelle et l'aérofreinage.

orbiteurs notables

• Orbiteur de reconnaissance martien
• Cassini à Saturne
• Orbiteur de reconnaissance lunaire
• Junon à Jupiter

Les sondes spatiales embarquent souvent plusieurs instruments : caméras, spectromètres, radars et magnétomètres. Les données sont transmises lentement par une liaison radio limitée ; le stockage et la compression à bord sont donc aussi importants que les instruments eux-mêmes.