Không có phi hành đoàn, không có chuyến trở về. Tàu thăm dò không gian là tàu vũ trụ không người lái được chế tạo để khám phá các mục tiêu ở xa, gửi dữ liệu về Trái đất và thường tiếp tục hoạt động rất lâu sau thời gian sử dụng dự kiến.

Các tàu thăm dò có nhiều kích cỡ, từ những tàu vũ trụ nhỏ bay ngang qua các hành tinh cho đến những tàu quỹ đạo phức tạp với hàng chục thiết bị. Chúng ghé thăm các hành tinh, mặt trăng, tiểu hành tinh và sao chổi, và một số ít đã rời khỏi hệ mặt trời hoàn toàn. Độ trễ trong liên lạc kéo dài từ vài phút đến vài giờ, điều đó có nghĩa là các tàu thăm dò phải tự xử lý các sự cố.

Các cuộc thăm dò đáng chú ý

• Tàu vũ trụ Voyager 1 và 2, được phóng vào năm 1977.
• Tàu New Horizons, đã bay ngang qua sao Diêm Vương.
• Tàu Rosetta đã hạ cánh xuống một sao chổi.
• Tàu thăm dò Parker Solar Probe đang nghiên cứu vành nhật hoa của Mặt Trời.

Nguồn điện luôn là một hạn chế. Tấm pin mặt trời hoạt động tốt khi ở gần Mặt trời nhưng hiệu suất giảm dần khi ở xa. Máy phát điện nhiệt điện đồng vị phóng xạ cung cấp điện năng đủ dùng trong nhiều thập kỷ cho các sứ mệnh đến các hành tinh ngoài hệ Mặt trời.