Vehículos automáticos que, a diferencia de los satélites artificiales, son lanzadas a otros astros del Sistema Solar, donde realizan diversas misiones desde simplemente pasar por las cercanías de los mismos hasta entrar en órbita en torno suyo o incluso aterrizar en ellos. Gracias a las sondas espaciales se ha conseguido incrementar de forma muy notable nuestro conocimiento del Sistema Solar hasta mucho más allá del poder de resolución de los telescopios. Actualmente todos los planetas del Sistema Solar, excepto Plutón, han podido ser estudiados con mayor o menor detenimiento, junto con varios asteroides y cometas e incluso el propio Sol, descubriéndose objetos tan sorprendentes como los volcanes de Ío, los cañones marcianos o la compleja estructura interna de los anillos de Saturno
Probablemente las sondas más conocidas para el gran público sean las dos Voyager, que enviaron asombrosas fotografías de los cuatro planetas gigantes, o las dos Viking, que aterrizaron en Marte realizando análisis químicos y tomando fotografías de su superficie, pero conviene no olvidar a otras que asimismo desempeñaron importantes tareas si bien de forma más discreta, tales como las rusas Lunik y Venera, las norteamericanas Explorer, Mariner, Pioneer, Magallanes o Ulises, o la europea Giotto, que estudió el núcleo del cometa Halley. Más recientes son la sonda Near, que fotografió exhaustivamente al asteroide Eros; la Galileo, que durante varios años orbitó en torno a Júpiter y sus satélites; la Stardust, encargada de tomar muestras del cometa Wild 2 para traerlas posteriormente a la Tierra; la Génesis, estrellada durante el aterrizaje tras traer a la Tierra muestras del viento solar; la europea Smart, que cartografió la superficie lunar, o la sonda Cassini, que tras entrar en órbita en torno a Saturno ha realizado una misión similar a la ejecutada por la Galileo en Júpiter, lanzando la sonda hija Huygens a la superficie de Titán. En enero de 2006 la NASA lanzó al espacio la sonda New Horizons, destinada a explorar Plutón (a donde llegará, según está previsto, en 2015) y algunos objetos más del Cinturón de Kuiper
No obstante, el planeta hacia el que se han dirigido más sondas espaciales ha sido, con diferencia, nuestro vecino Marte, aunque con un resultado desigual ya que más de la mitad de los intentos realizados se saldaron con fracasos. Las primeras sondas norteamericanas lanzadas al planeta rojo fueron, durante la década de los sesenta y los primeros años setenta, varias de la serie Mariner (el resto de ellas tuvieron como destino los planetas Mercurio y Venus), alguna de las cuales, como la Mariner 9, logró transmitir a la Tierra en 1971 miles fotografías de la superficie y los satélites marcianos. En esa misma época los rusos intentaron emular a sus competidores en la carrera espacial con la serie Mars y varios satélites Sputnik y Cosmos, con muy escasa fortuna aunque el módulo de aterrizaje de la Mars 3 fue el primer objeto construido por el hombre que consiguió posarse, en 1971, en la superficie marciana. El gran éxito de la exploración marciana sería, entre 1975 y 1976, el proyecto Viking, compuesto por dos sondas gemelas que contaban con un módulo orbital y otro diseñado para aterrizar en el planeta, misión que realizaron ambas con pleno acierto.
A partir de entonces los éxitos y los fracasos de las sondas marcianas se repartieron casi por igual, aunque hay que esperar hasta finales de la década de los ochenta para encontrar nuevos intentos. Las dos sondas rusas Fobos se perdieron por el camino entre 1988 y 1989, y en 1993 ocurrió lo mismo con la norteamericana Mars Observer cuando estaba a punto de entrar en órbita alrededor de Marte. Tres años más tarde, en 1996, falló el lanzamiento de la rusa Mars 96, que volvió a caer sobre la Tierra, pero en 1997 la NASA se apuntó un doble éxito con la Mars Pathfinder, que logró posarse en Marte depositando en ella un pequeño robot automóvil, el Sojourner, y con la Mars Global Surveyor, todavía activa, que fue diseñada para cartografiar la superficie marciana desde una órbita en torno al planeta. Lamentablemente este éxito se vio ensombrecido por el doble fracaso norteamericano de 1999, con la pérdida de las sondas Mars Climate Orbiter y Mars Polar Lander al arribar a su meta, la primera de ellas por culpa de un estúpido error de cálculo. Por fortuna no ocurrió lo mismo con la Mars Odyssey, que en 2001 logró entrar en órbita manteniéndose todavía en activo. Las sondas gemelas Spirit y Opportunity, ambas compuestas por un orbitador y un módulo de aterrizaje provisto de un robot automóvil similar al Pathfinder, aunque mucho más sofisticado, aterrizaron con éxito a principios de 2004 precediendo de inmediato a enviar fotografías de su entorno, y aún hoy continúan en activo mucho después del período de vida útil que habían calculado los ingenieros de la NASA. La última sonda lanzada a Marte por el momento es la norteamericana Mars Reconnaissance Orbiter, que en marzo de 2006 alcanzaba la órbita marciana procediendo a un acercamiento previsto durante seis meses.
Además de las iniciativas rusas y norteamericanas, otros países han intentado también la aventura marciana. La misión de la sonda japonesa Nozomi, lanzada en 1998, fue dada por perdida a finales de 2003, poco antes de su llegada prevista a Marte. La sonda europea Mars Express, por su parte, entró en órbita marciana en navidad de 2003, aunque su módulo de aterrizaje Beagle 2 se perdió aparentemente durante la maniobra de descenso.