太空的空氣稀薄，幾乎真空，而且能清晰看見地面上所看不見的星星，因此，美國國家航空航天局放置了哈勃望遠鏡用以觀察宇宙。

太空不是完美的真空：不同的區域由不同的大氣圈和“風”所定義，並且主導著那些區域，並且風會向外擴展超越原本定義的區域。地球空間從地球的大氣層向外擴展到地球的磁層，使它與太陽風的行星際空間有所區隔。行星際空間延伸到了太陽圈，這是太陽風和星際介質的風交會的地方。星際空間繼續延伸到銀河系的邊緣，然後逐漸隱沒至星系間的空洞。

若要執行一個軌道，航天器必須飛得比在次軌道飛行器更快。太空航具必須要有足夠的水準速度才能進入軌道，也就是重力加諸於太空航具的加速度必須小於或等於由水準運動產生的向心加速度。因此進入軌道的太空航具不只是進入太空，還必須要有足夠的軌道速度（角速度）。對低地球軌道，這大約是7,900米/秒（28,440公里/小時）；相對之下，最快的飛機（不包括再入的太空航具）是美國空軍的X-15在1967年創造的，它的速度只有2,200米/秒（7,920公里/小時）。

康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基最早意識到，無論使用何種化學燃料，多級火箭都是必不可少的。能夠在地球的重力場中獲得自由，並且進入行星際空間的逃逸速度大約是11,000公里/小時（8公里/秒），進入低地球軌道的速度所需要的能量（32 MJ/kg）大約攀爬到相同高度所需要能量（10 kJ/(km·kg)）的20倍。

次軌道飛行和軌道飛行有著主要的不同，環繞地球的穩定軌道（也就是不受大氣阻力的影響），最低的高度是海拔350公里（220英里），一般常見的誤解是單純的認為軌道只要在這個高度就是達到太空的邊界。理論上說，在任何的高度都可以獲得需要的軌道速度，只是大氣拖曳排除了高度太低的軌道。只要有足夠的速度，飛機也可以進入軌道，但是在目前，這個速度數倍於目前的技術可以達到的合理速度。

另一個常見的誤解是軌道上的人在地球的引力之外，因為他們是“漂浮著”。他們會漂浮是因為他們是自由落體：他們伴隨著航天器一起加速的落向地球，但同時他們也以夠快的速度離開直線的路徑，讓他們在地球的表面上保持恒定的距離。地球的引力遠遠超過範艾倫帶，並且使月球保持在距離地球平均384,403公里（238,857英里）的軌道上。

星際空間是在星系內未被恒星或它們的行星系佔據的空間。星際介質－依照定義－存在於星際空間。

行星際空間是太陽系內圍繞著太陽和行星的空間，這個區域由行星際介質主導，向外一直延伸到太陽圈，在那兒銀河系的環境開始影響到伴隨著太陽磁場的粒子流量，並且超越太陽磁場成為主導。行星際空間由太陽風來定義，來自太陽連綿不絕的帶電粒子創造了稀薄的大氣圈（稱為太陽圈），深入太空中數十億英里。風中的質點密度為5-10 質子/cm3，並且以 350-400km/s的速度在移動。太陽圈的距離和強度與太陽風活動的程度息息相關。自1995年起發現系外行星的意義為其他的恒星也有能力擁有自己的行星際介質。

行星際空間的體積內幾乎是純粹的真空，在地球軌道附近的平均自由半徑大約是1天文單位。但是，這個空間並非完全的真空，到處都充滿著稀疏的宇宙線，包括電離的原子核和各種的次原子粒子。這兒也有氣體、等離子和塵粒、小流星體和到目前為止已經被微波光譜儀發現的數十種不同有機分子。

行星際空間包含太陽生成的磁場，也有行星生成的磁場，像是木星、土星和地球自身的磁場。它們的形狀都受到太陽風的影響，而類似淚滴的形狀，有著長長的磁尾伸展在行星的後方。這些磁場可以捕獲來自太陽風和其他來源的粒子，創造出如同範艾倫帶的磁性粒子帶。沒有磁場的行星，像是火星和水星，但是金星除外，它們的大氣層都逐漸受到太陽風的侵蝕。

星系際空間是有物質的空間和星系之間的空間，星系際空間非常接近完全的真空，但通常仍會有自由的塵埃和碎片。在星系團之間，稱為空洞的空間，則幾乎是完全的真空。有些理論認為每立方米一顆氫原子的密度相當於宇宙的平均密度。但是，宇宙的密度很顯然是不均勻的；他的密度從在星系內非常高（包括在星系內有著高密度的結構，像是行星、恒星、和黑洞等）到在廣大的空洞內非常低，遠低於宇宙平均值的密度。

圍繞和延伸在星系之間，有著稀薄的等離子，它們被認為具有宇宙纖維狀結構，這是比宇宙的平均密度略為密集的區域。這些物質被稱為星系際介質（IGM），並且通常是被電離的氫；也就是包還等量的電子和質子的等離子。IGM的密度被認為是宇宙平均密度的10至100倍（每立方米擁有10至100顆氫原子）。在富星系團內的密度高達平均密度的1000倍時。

星系際介質被認為主要是電離氣體的原因是以地球的標準來看，它的溫度被認為是相當高的（雖然有些地區以天文物理的標準來看只是溫暖）。當氣體由空洞進入星系際介質，它被加熱至105K到 107K，這是足夠讓氫原子在碰撞時被撞出的電子成為自由電子，像這種溫度的星系際介質被稱為溫熱星系際介質（WHIM）。電腦的類比顯示，在宇宙中約有一半的原子物質可能存在於這種溫熱、稀薄的狀態。當氣體從溫熱星系際介質的纖維狀結構進入星系團的宇宙斯狀結構的介面時，它的溫度會升得更高，溫度可以達到108K或更高。

地球空間是鄰近地球的外太空區域。地球空間地方包括大氣層上層的區域，像是電離層和磁層，範艾倫輻射帶也在地球空間內。在地球的大氣層和月球之間的地區有時也稱為“地月空間”。

雖然它滿足外太空的定義，但在卡門線之上數百公里空間內的大氣密度依然可以對衛星造成足夠的阻力。許多人造衛星都在這個稱為低地球軌道的區域內運作，並且每隔幾天就需要啟動它們的發動機來維持軌道。此處的阻力雖然很低，但在理論上仍足以超越太陽帆所受到的輻射壓力，而這是行星際旅行所建議的一種推進系統。

充塞在地球空間內的帶電粒子密度非常低，他門的運動受到地球磁場的控制。這些由等離子形成的物質會受到太陽風暴的擾動，在太陽風的驅動下形成流向地球上層大氣層的電流。

當磁暴發生在地球空間的兩個地區，輻射帶和電離層，會造成強烈的擾動。這些風暴造成的高能電子流量增加，能夠對衛星上的電路造成永久性的損害。擾亂電信和GPS技術，並且即使在低地球軌道的宇航員也會受到危害。它們也會在地球的磁極附近創造出極光。

地球空間還包含許多之前發射的載人或不載人航天器遺留下的殘骸，會對後續的航天器造成潛在的危害。有些碎片在經過一段時間後會重返地球的大氣層內。

缺乏空氣的地球空間（和月球表面）是天文學家觀察所有電磁頻譜的理想場所，由哈伯太空望遠鏡傳送回來的精彩圖片可見一斑，允許來自137億年前的光－幾乎就是大爆炸的時期－被觀測到。

地球空間的上層邊界是磁層和太陽風交界的介面，內側的邊界是電離層。或者說，地球空間是地球大氣層上層和地球磁場抵達的最外側之間的外太空。

宇宙速度是物體從地球出發，在天體的重力場中運動，四個較有代表性的初始速度的統稱。航天器按其任務的不同，需要達到這四個宇宙速度的其中一個。

1第一宇宙速度

第一宇宙速度又稱為環繞速度，是指在地球上發射的物體繞地球飛行作圓周運動所需的最小初始速度。若在150千米的飛行高度上，其環繞速度為7.8千米/秒。

2第二宇宙速度

第二宇宙速度，亦即地球的逃逸速度，是指在地球上發射的物體擺脫地球引力束縛，飛離地球所需的最小初始速度。若航天器已到達近地軌道的高度，航天器的脫離速度約為10.9千米/秒。

3第三宇宙速度

第三宇宙速度，亦即太陽的逃逸速度，是指在地球上發射的物體擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需的最小初始速度。本來，在地球軌道上，要脫離太陽引力所需的初始速度為42.1千米/秒，但地球繞太陽公轉時令地面所有物體已具有29.8千米/秒的初始速度，故此若沿地球公轉方向發射，只需在脫離地球引力以外額外再加上12.3千米/秒的速度。

4第四宇宙速度

第四宇宙速度是指在地球上發射的物體擺脫銀河系引力束縛，飛出銀河系所需的最小初始速度。但由於人們尚未知道銀河系的準確大小與品質，因此只能粗略估算，其數值在525千米/秒以上。而實際上，仍然沒有航天器能夠達到這個速度。

航太動力學是研究航天器和運載器在飛行中所受的力及其在力作用下的運動的學科，其中主要是對引力和推進作用的研究。航太動力學的研究可以使航天器不需要額外的推進劑而準時到達目的地。 非火箭軌道推進方法包括太陽帆、磁化帆，和使用重力彈弓效應。

由於在目前的技術條件下返回大氣層時航天器的速度極高，因此非破壞性返回的過程一般需要有特殊的措施來保護航天器避免受到氣動力加熱和震動、衝擊等損害。再入原理由Harry Julian Allen提出.而從原理中顯示，鈍形隔熱板效率最佳，因為返回式航天器的摩擦熱與阻力係數成反比，即阻力愈大，熱負荷愈低。

航天器下降到約15km的高空，速度已減少到亞音速。為了保證安全著陸，需要採取進一步的減速措施。彈道式再入航天器常採取降落傘作為著陸減速手段。

著陸成功後的航天器，其乘員和貨物可以回收。在某些情況下，航天器降落時就可以回收：當航天器還在降落傘下降落，它可以通過特殊設計的飛機回收。這種半空回收技術用於間諜衛星的回收。

載人航太是由宇航員執行的太空探索，可以由單人或多人執行。載人航太需使用載人航天器進行。

歷史上首次載人航太任務是發射於1961年4月12日的東方1號，蘇聯宇航員尤裏·加加林在環繞地球軌道一周後安全返回地球。1963年6月16日，蘇聯宇航員瓦蓮京娜·捷列什科娃執行東方6號任務時成為了第一名進入太空的女性。1966年，美國的雙子星11號創造了最高地球軌道記錄，飛行高度達1374千米。發射和修理哈勃太空望遠鏡的兩次太空梭任務也曾達到600千米左右的飛行高度。2003年，中國的神舟五號宇航員楊利偉，成功圍繞地球十四圈，中國為第三個成功進行載人航太的國家。

迄今為止，載人航太飛行目標在地球軌道之外的任務只限於月球，儘管月球本身也是地球的衛星。第一次去月球的載人任務阿波羅8號中，三位宇航員曾進入月球軌道。阿波羅10號第二次環繞了月球，在月球軌道進行了登月航天器的測試。

人造衛星是由人類建造的航天器的一種，也是數量最多的一種。人造衛星以太空飛行載具如運載火箭、太空梭等發射到太空中，像天然衛星一樣環繞地球或其他行星運行。

太空探索是指以物理手段探索地球以外物體以及探索太空時涉及到的任何技術, 科學政策。人類歷史上最著名並最有影響力的一次太空探索是在冷戰美蘇太空競賽期間第一個人類成功踏上月球。

太空旅遊指非以執行任務（例如進行實驗或工作）為目的，而搭乘太空船參與太空飛行。在蘇聯解體後，由於太空船的操作成本極大，同時要付給哈薩克拜科努爾太空中心地租與使用場地費，俄國為籌措經費，開放了民間金錢贊助，報酬即為可讓贊助者搭乘太空船進入太空，因此大多數太空遊客為支付大筆費用的億萬富翁。由於NASA的太空任務僅供國際專門科研之用，故現今太空旅遊仍以俄國為主。

太空天氣在一些領域對太空探索和發展有深遠的影響。不斷變化的地磁條件可以造成大氣密度的急劇改變，造成低地球軌道上太空船高度的墮落。由於太陽活動增強產生的地磁風暴可能導致航太飛行器上的感應器暫時失常，或是干擾到飛行器上的電子儀器。此外，磁暴也會影響到在高緯度上常態飛行的飛機，使受到的輻射總量增加。很好的瞭解太空環境狀況對設計太空船的遮罩和載人太空船的生命支援系統也是很重要的。