为解释外行星轨道明显的偏差，帕西瓦尔·罗威尔认为在其外必然还有一颗行星存在，并称之为X行星。在他过世后，它的罗威尔天文台继续搜寻的工作，终于在1930年由汤博发现了冥王星。但是，冥王星是如此的小，实在不足以影响行星的轨道，因此它的发现纯属巧合。就像谷神星，他最初也被当作行星，但是在邻近的区域内发现了许多大小相近的天体，因此在2006年冥王星被国际天文学联会重新分类为矮行星。
在1992年，夏威夷大学的天文学家大卫·朱维特和麻省理工学院的珍妮·卢发现1992 QB1，被证明是一个冰冷的、类似小行星带的新族群，也就是我们所知的柯伊伯带，冥王星和卡戎都被是其中的成员。
米高·布朗、乍德·特鲁希略和大卫·拉比诺维茨在2005年宣布发现的阋神星是比冥王星大的离散盘上天体，是在海王星之后绕行太阳的最大天体。
自从进入太空时代，许多的探测都是各国的太空机构所组织和执行的无人太空船探测任务。
太阳系内所有的行星都已经被由地球发射的太空船探访，进行了不同程度的各种研究。虽然都是无人的任务，人类还是能观看到所有行星表面近距离的照片，在有登陆艇的情况下，还进行了对土壤和大气的一些实验。
第一个进入太空的人造天体是前苏联在1957年发射的史泼尼克一号，成功的环绕地球一年之久。美国在1959年发射的先驱者6号，是第一个从太空中送回影像的人造卫星。
第一个成功的飞越过太阳系内其他天体的是月球1号，在1959年飞越了月球。最初是打算撞击月球的，但却错过了目标成为第一个环绕太阳的人造物体。水手2号是第一个环绕其他行星的人造物体，在1962年绕行金星。第一颗成功环绕火星的是1964年的水手4号。直到1974年才有水手10号前往水星。
探测外行星的第一艘太空船是先驱者10号，在1973年飞越木星。在1979年，先驱者11号成为第一艘拜访土星的太空船。旅行者计划在1977年先后发射了两艘太空船进行外行星的大巡航，在1979年探访了木星，1980和1981年先后访视了土星。旅行者2号继续在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。 旅行者太空船已经远离海王星轨道外，在发现和研究终端震波、日鞘和日球层顶的路径上继续前进。依据NASA的资料，两艘旅行者太空船已经在距离太阳大约93天文单位处接触到终端震波。
还没有太空船曾经造访过柯伊伯带天体。而在2006年1月19日发射的新视野号将成为第一艘探测这个区域的人造太空船。这艘无人太空船预计在2015年飞越冥王星。如果这被证明是可行的，任务将会扩大以继续观察一些柯伊伯带的其他天体。
在1966年，月球成为除了地球之外第一个有人造卫星绕行的太阳系天体（月球10号），然后是火星在1971年（水手9号），金星在1975年（金星9号），木星在1995年（伽利略号，也在1991年首先飞掠过小Gaspra），爱神星在2000年（会合-舒梅克号），和土星在2004年（卡西尼号-惠更斯号）。
信使号太空船正在前往水星的途中，预计在2011年开始第一次绕行水星的轨道；同一时间，黎明号太空船将设定轨道在2011年环绕灶神星，并在2015年探索谷神星。
第一个在太阳系其它天体登陆的计划是前苏联在1959年都登陆月球的月球2号。从此以后，抵达越来越遥远的行星，在1966年计划登陆或撞击金星（金星3号），1971年到火星（火星3号），但直到1976年才有维京1号成功登陆火星，2001年登陆爱神星（会合-舒梅克号），和2005年登陆土星的卫星泰坦（惠更斯号）。伽利略太空船也在1995年抛下一个探测器进入木星的大气层；由于木星没有固体的表面，这个探测器在下降的过程中被逐渐增高的温度和压力摧毁掉。
尤里·加加林，于1961年4月12日搭乘东方一号升空。第一个在地球之外的天体上漫步的是尼尔·阿姆斯特朗，它是在1969年的太阳神11号任务中，于7月21日在月球上完成的。美国的航天飞机是唯一能够重复使用的太空船，并已完成许多次的任务。
在轨道上的第一个太空站是NASA的“太空实验室”，可以有多位乘员，在1973年至1974年间成功的同时乘载着三位太空人。第一个真正能让人类在太空中生活的是前苏联的和平号空间站，从1989年至1999年在轨道上持续运作了将近十年。
它在2001年退役，后继的国际空间站也从那时继续维系人类在太空中的生活。在2004年，太空船1号成为在私人的基金资助下第一个进入次轨道的太空船。
同年，美国前总统乔治·布什宣布太空探测的远景规划：替换老旧的航天飞机、重返月球、甚至载人前往火星。
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