Một số tàu vũ trụ được chế tạo để đến và ở lại. Tàu quỹ đạo đi vào quỹ đạo quanh một thiên thể mục tiêu và nghiên cứu nó trong nhiều tháng hoặc nhiều năm, thu thập dữ liệu qua nhiều lần bay ngang chứ không phải chỉ trong một lần bay ngắn.

Sự đánh đổi nằm ở nhiên liệu. Việc đi vào quỹ đạo quanh một hành tinh xa xôi đòi hỏi sự thay đổi vận tốc lớn, điều này có nghĩa là hoặc phải sử dụng hệ thống đẩy mạnh mẽ, hoặc phải tiếp cận chậm rãi và tiết kiệm nhiên liệu bằng cách tận dụng lực hấp dẫn và hãm khí quyển.

Các quỹ đạo đáng chú ý

• Tàu quỹ đạo trinh sát sao Hỏa
• Tàu Cassini tại Sao Thổ
• Tàu quỹ đạo trinh sát Mặt Trăng
• Juno tại Sao Mộc

Các tàu quỹ đạo thường mang theo nhiều thiết bị: camera, máy quang phổ, radar và từ kế. Dữ liệu được truyền về chậm qua một liên kết vô tuyến nhỏ, vì vậy việc lưu trữ và nén dữ liệu trên tàu quan trọng không kém gì chính các thiết bị.