A Szputnyik-krízis után Amerikának magasabb sebességre kellett kapcsolnia: az eddig szétszórtan, a hadsereg különböző részlegeinél és ügynökségeknél zajló kutatásokat központosítani kellett. 1958-ban az Explorer-1 révén amerikai műhold is pályára állt, 1961-ben pedig a Mercury-program keretében már az első űrugrást is végrehajtották, Alan Shepard volt az első amerikai a világűrben. A NASA szakemberei a világűrkutatás olyan területeire összpontosítottak, amelyeken még volt esélyük az elsőség megszerzésére. Ez sikerült is: 1969-ben első ízben amerikai űrhajósok jutottak el a Holdra, Neil Armstrong és Buzz Aldrin nevét az egész világ megismerte.

1972-ben némileg irányt váltott a NASA, a Gemini- és az Apollo-programok után a Naprendszer távolabbi részeinek kutatása is nagyobb hangsúlyt kapott. Ennek eredményeképpen a Pioneer-10 űrszonda 1983-ban elhagyta a Naprendszert. Harmadik jelentős vállalkozásuk az űrrepülőgépek kifejlesztése volt, ami új fejezetet nyitott az űrhajózás történetében. Az űrsikló flotta működtetése hatalmas vállalkozásnak bizonyult. Összesen hat ilyen űrrepülőgépet építettek, amelyek közül öt repült a világűrben. 1981 óta száznál is több repülést hajtottak végre. Az űrsiklók által fémjelzett korszakra két tragédia árnyéka vetül: a Challenger 1986-ban, a Columbia 2003-ban semmisült meg.

Mivel a NASA tevékenységi illetékességébe tartozik a földi légkör, a Földet környező térség, a világűr tudományos vizsgálata, a légiközlekedési eszközök és űreszközök kifejlesztése, a kozmosz távlati hasznosításának tanulmányozása, valamint a vonatkozó tudományos, gyártási és adminisztratív teendők összehangolása, illetve a repülésügyi és űrhajózási nemzetközi együttműködés gondozása, az ügynökség számos tudományos programot is folytat az "emberes programok" mellett. Űrszondák kutatják a bolygókat, napjainkban éppen a Mars feltérképezése tartja lázban a világot.

A hidegháború végével a nemzetközi együttműködés is előtérbe kerülhetett, az Egyesült Államok ma már Oroszországgal együttműködve építi a Nemzetközi Űrállomást. Ennek ellenére a két űrnagyhatalom között feszültségek is vannak. Amerika hamarosan leszereli az űrsiklókat, így évekig Oroszországra lesz utalva. Ez pedig, mint azt sokan hangoztatják amerikai részről, "szörnyű kiszolgáltatottsággal" jár majd.

A NASA számos objektuma és intézménye vált világhírűvé: a floridai Cape Canaveralban levő Kennedy Űrközpont, a Goddard Űrközpont, az Edwards légitámaszpont, vagy éppen a pasadenai laboratórium. Az űrkutatási hivatal a populáris kultúrában is népszerű helyet vívott ki magának, számos film és könyv dolgozta fel az intézmény történetének egy-egy fejezetét.