水手2号在1963年2月14日成功飞掠金星，成为人类首个飞掠太阳系其它行星的航天器。
水手10号1973年11月3日发射，成功对离太阳最近的水星进行近距离探测，并将这个纪录保持了33年之久。
旅行者1号探测器成为人类有史以来第一个冲出太阳系的人造物体。
首次进入星际空间的旅行者号
旅行者号计划是美国深空探测的丰碑， 旅行者号计划包括旅行者1号和旅行者2号探测器，它们是美国喷气动力实验室20世纪60年代“外太阳系大旅行”计划的缩水版。这个计划原定利用176年一遇的行星排列机会，通过行星引力加速方式实现连续造访外太阳系大行星。旅行者项目原定发射4个探测器，前两个1977年左右发射，飞掠造访木星土星和冥王星，后两个1979年发射，飞掠造访木星、天王星和海王星，在行星引力加速的作用下，它们可以在约12年时间里完成任务。如果不利用宝贵的行星排列机会，单靠探测器自身的动力，即便采用当今最先进的技术也是不可能的。
旅行者号探测器使用三轴稳定方式控制，探测器最明显的标志是直径3.7米的大型高增益抛物面天线，这使得它们在距离地球很远的外太阳系还能和地球保持有效联系。为了在光照不足的外太阳系长期工作，旅行者号探测器还都装备了总功率约420瓦、使用Pu238的放射性同位素温差电源(RTG)，可以长期稳定提供充足的电力满足旅行者号探测器各种仪器工作的需求，可以支持旅行者号部分仪器正常工作到2020甚至2025年。旅行者号携带的探测仪器包括相机、红外干涉光谱仪、雷达设备、紫外光谱仪、等离子光谱仪、宇宙射线探测仪、低能带电粒子探测仪、等离子波等多种设备，对外太阳系的多个大行星和星际空间进行了探测，获得了丰硕的成果。
1977年8月20日和1977年9月5日，美国使用泰坦三号E-半人马座火箭先后发射了旅行者2号和旅行者1号。由于轨道设计不同，旅行者1号的飞行轨道较短，它们1977年12月10日几乎同时进入主带小行星区域，12月19日旅行者1号就超过了旅行者2号。 1978年9月8日旅行者1号飞出主带小行星区域，并在1979年1月6日开始木星观测任务，1980年8月22日开始土星观测任务，而旅行者2号分别于1979年4月25日和1981年6月5日才先后进入木星和土星观测阶段。
旅行者1号给木星拍摄的照片，照片上还出现了木星的两颗卫星，还发现木星著名的“大红斑”是个巨型风暴。
在木卫一表面拍摄到的火山喷发图像，这是人类历史上第一次发现并观测地球外的火山活动。
两艘旅行者号飞船的轨迹，旅行者2号是一次性探测星球最多的探测器。
旅行者1号于1979年3月5日从距离木星349万千米的距离飞过，旅行者二号于1979年7月9日在距离木星570万千米的距离上飞过。虽然两颗旅行者号探测器只是飞掠，但它们抵近木星系统获得了木星卫星、光环、辐射带和磁场的大量第一手数据，拍摄了木星及其卫星的大量照片，发现著名的木星大红斑其实是木星大气层的巨大风暴，还发现了木星新的光环并在木卫一上发现了火山活动的痕迹。借助木星的引力加速，旅行者一号探测器飞向土星，它不仅抵近观测到土星光环的复杂结构，而且探明了土星高层大气氦的含量约为7%，比木星的11%略低，这或许可以解释土星放出的热量要高于接收的太阳辐射的问题。由于更早的先驱者11号探测器发现土卫六泰坦拥有浓密的大气，旅行者1号在地面控制下，抵近土卫六进行探测，这导致它在引力作用下离开黄道，提前终止了外太阳系行星探测任务，但它的速度也因此进一步提高，转向星际探测任务。在2013年北京举行的国际宇航大会上，旅行者一号首席科学家爱德华斯通(Edward Stone)在报告中提到，根据测量到的太阳粒子、等离子体密度和宇宙射线的变化，目前确认旅行者1号已经进入星际空间。目前旅行者一号距离地球已经高达188亿千米，它突破太阳风顶层进入星际空间，是人类航天史上空前的成就，也是美国航空航天局不朽的丰碑。
旅行者2号探测器虽然速度较慢，不过倒是完成了最早“外太阳系大旅行”计划的目标，成功连续访问了木星、土星、天王星、海王星。旅行者2号使用雷达探测了土星大气的密度和温度，发现土星内层大气温度反而较高。旅行者2号还在距离天王星81.5万千米的距离上飞过，发现了天王星的11颗新卫星，观测了天王星的光环，还对天王星独特的大气层进行了探测，旅行者2号发现天王星独特的磁场和辐射带，找到了天王星卫星呈现灰色的原因。旅行者2号探测的最后一颗行星是海王星，它获取了海王星附近的带电粒子、磁场等信息，对海王星拍照还发现了一个大黑斑，但多年以后哈勃望远镜却没有观测到，其中奥秘或许就永远不得而知了。1989年的海王星探测任务结束后，旅行者2号探测器也开始为星际任务做准备，不过它目前距离地球152亿千米，尚没有突破太阳风层的可信证据。
航天飞机占用太多资源导致八、九十年代的深空探索低谷，图为航天飞机发射伽利略号木星探测器。
航天飞机时代的深空探测
自1977年的旅行者1号探测器发射后，20世纪70年代盛极一时的美国深空探测也落入低谷，20世纪80年代的主角属于航天飞机，而设计中的自由号空间站也占用了太多的资源。直到1989年，美国才使用航天飞机发射了麦哲伦号金星探测器，随后又发射了伽利略号木星探测器。麦哲伦号探测器使用合成孔径雷达获取了100米分辨率的金星地图，大大丰富了人们对金星地理的认识。伽利略号探测器使用金星引力加速抵达木星，它获取了大量木星的珍贵信息，如木星表面云层的清晰照片，确认木卫一频繁的火山活动、确认木卫二欧罗巴存在稀薄的大气层同时冰层下存在液态的海洋、确认木卫三存在自身维系的磁场等，并测量了木星磁场的结构和特征。伽利略号探测器不仅以目前木星唯一的人造卫星获得了一项荣誉，而且一系列重大发现几乎永久性地改变了人们对木星系统的认识。
20世纪90年代以后美国航空航天局将深空探测再次提上重要日程。美国的航天飞机释放发射了尤利西斯号太阳极轨探测器，通过木星引力变轨进入太阳极地轨道进行太阳天文观测研究，并顺带对木星进行了一系列观测。20世纪90年代美国的一个旗舰级项目是卡西尼-惠更斯土星探测项目，它是美国航空航天局与欧洲空间局的联合项目，美国提供了卡西尼号土星轨道器，欧洲提供了惠更斯号土星着陆器。1997年10月15日美国使用大力神IVB火箭发射了卡西尼-惠更斯号探测器，通过借用金星、地球和木星的引力加速，探测器飞行将近7年后最终于2004年进入土星轨道，开始对土星的地表、大气、磁场、光环和卫星进行近距离探测。卡西尼探测器先后发现了土星的7个新的卫星，发现了土星表面液态羟组成湖泊和海洋，以及土星大气层的飓风，它还发现了土卫六表面的液态羟的河流和海洋。卡西尼号在多年的环绕土星飞行中，还详细测量了土星重力场的数据。
探测重点逐渐转向火星
火星作为地球外最适宜人类生存的星球，得到了美国航空航天局的青睐。虽然1992年火星观测者任务失败，但1997年美国发射了火星全球勘测者号轨道探测器，同年还发射了探路者号着陆探测器，进行了火星软着陆并释放了一辆仅仅10.6千克的火星车。此后2001年美国发射了火星奥德赛号轨道器，然后又成功进行了火星探测漫游者号、机遇号和勇气号火星车的任务，并发射了凤凰号着陆器降落在火星北极勘察水的存在，并试图寻找是否存在适合微生物生存的环境。
美国也在继续发射火星轨道器，2005年美国发射了火星侦查轨道器获取了分辨率超过0.3米的超高精度火星影像。美国2011年还发射了空前先进和复杂的好奇号火星车，在火星软着陆和火星车探测领域将其他国家远远甩在身后。美国通过轨道器的高精度照片，着陆器和火星车的实地勘察，确认火星上过去存在河流，现在也存在一定的水资源，这对目前由于技术和预算问题困难重重的载人探测火星来说可谓雪中送炭。
美国在火星探测上占有绝对优势：全球参加过火星任务的探测器名单，近一半属于美国，而火星表面的火星车全部属于美国。
新视野号探测器将史上首次探测冥王星。
深空探测的重点转向火星的同时，美国也在开展一系列小行星探测任务，如近地小行星交会探测器(NEAR)、深空一号探测器、黎明号(Dawn)探测器。美国还发射了深度撞击探测器以一个撞击器对坦普尔一号彗星的彗核进行了撞击，也发射过星尘号(Stardust)探测器对维尔特二号彗星的彗发的成分进行探测。
不过美国现在最引人注目的一颗探测器，恐怕要数2006年1月19日发射的新视野号探测器，它使用Atlas V 551型火箭发射，是人类第一颗冥王星探测器，也是目前人类发射的速度最快的探测器。目前新视野号正在快速向冥王星飞近，预计2015年它将在距离冥王星10000千米外飞过，它将抓住百年难逢的机会对冥王星进行探测，获取冥王星大气和表面成分等珍贵信息，并为冥王星拍摄高分辨率照片，同时对冥王星大气逃逸原子、太阳风带电粒子和冥王星附近的星际尘埃进行探测。新视野号是美国Discovery级别探测器的第一颗，第二颗就是2011年8月5日发射的朱诺号(Juno)探测器，朱诺号探测器采用了独特的大型太阳翼设计，它计划用于研究木星的组成、引力场和磁场，为了解木星的形成与构造添砖加瓦。
