कुछ अंतरिक्ष यान पहुँचने और वहीं रहने के लिए बनाए जाते हैं। एक ऑर्बिटर किसी लक्ष्य पिंड की कक्षा में प्रवेश करता है और महीनों या वर्षों तक उसका अध्ययन करता है, संक्षिप्त फ्लाईबाई के बजाय कई चक्करों में डेटा एकत्र करता है।

इसमें सबसे बड़ी चुनौती ईंधन की है। किसी दूरस्थ ग्रह की कक्षा में प्रवेश करने के लिए वेग में भारी परिवर्तन की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है या तो एक भारी प्रणोदन प्रणाली या गुरुत्वाकर्षण सहायता और वायु-अवरोधन का उपयोग करते हुए एक धीमी, ईंधन-कुशल दृष्टिकोण।

उल्लेखनीय परिक्रमा करने वाले

• मंगल टोही कक्षक
• शनि ग्रह पर कैसिनी
• चंद्र टोही कक्षक
• बृहस्पति पर जूनो

ऑर्बिटर अक्सर कई उपकरण ले जाते हैं: कैमरे, स्पेक्ट्रोमीटर, रडार और मैग्नेटोमीटर। डेटा एक छोटे रेडियो लिंक के माध्यम से धीरे-धीरे वापस आता है, इसलिए ऑनबोर्ड स्टोरेज और कम्प्रेशन उपकरणों की तरह ही महत्वपूर्ण हैं।