נוסף לאספקטים הצבאיים של מרוץ החימוש, הקידמה בחלל נתפסה כעדות על מיומנות טכנולוגית וכלכלית, שמוכיחה את עדיפות האידאולוגיה של המדינה. לחקר החלל הייתה אפוא מטרה כפולה: הוא יכול היה לשרת מטרות שלום, אך גם לתרום למטרות צבאיות. כל אחת משתי המעצמות עשתה מאמצים להשיג נקודת פתיחה טובה לקראת המרוץ לחלל, אך לא היה ברור מי תירה את יריית הפתיחה.
לוויינים מלאכותיים מתחילים את המרוץ.
ספוטניק.
ב־4 באוקטובר 1957 שיגרה ברית המועצות בהצלחה את ספוטניק 1, הלוויין המלאכותי הראשון שהגיע למסלול, ובכך החל המרוץ לחלל. עקב המשמעויות הכלכליות והצבאיות של הלוויין, עורר ספוטניק פחד וויכוחים פוליטיים בארצות הברית. באותה עת, שיגור ספוטניק נראה בברית המועצות כסימן חשוב לכישרונותיה ההנדסיים והמדעיים של האומה. הלוויין ותוכנית חקר החלל שבאה בעקבותיו זכו לעניין רב בקרב הציבור. למדינה שעסקה בהשתקמות מחורבן המלחמה היה חשוב ומעודד לראות הוכחה של הכישרון הטכני בעידן החדש.
לפני שיגורו של ספוטניק, האמריקאי הממוצע הניח שלארצות הברית יש עליונות בכל תחומי הטכנולוגיה. מקבילו של פון בראון בברית המועצות, סרגיי קורוליוב, המהנדס הראשי שתכנן את משגר ה־R-7 ששיגר את ספוטניק למסלולו, היה מאוחר יותר המהנדס של משגר ה־N-1, שתוכנן לשיגור קוסמונאוטים לירח. בתגובה לספוטניק, החלה ארצות הברית בהשקעת מאמץ רב לרכישת העליונות הטכנולוגית מחדש. מאמץ זה כלל גם שינוי בתוכנית הלימודים בבתי הספר בתקווה ליצור עוד מדענים כדוגמת פון בראון וקורוליוב. תגובה זו נקראה בשם "משבר הספוטניק". לינדון ג'ונסון, סגנו של נשיא ארצות הברית ג'ון קנדי, ביטא את המוטיבציה לניסיונות אמריקאיים אלו במילים:
הציבור האמריקאי, שהיה בתחילה מדוכא ומבוהל מספוטניק, הוקסם מהפרויקטים האמריקאיים שבאו בעקבות זאת. תלמידי בית ספר עקבו אחר רצפי השיגורים, ובניית דגמי משגרים הפכה לתחביב פופולרי. הנשיא קנדי נשא נאומים שעודדו את הציבור לתמוך בתוכנית החלל, וניסה בכך להתגבר על הספקנות של רבים אשר חשו שמוטב היה לו מיליוני הדולרים היו מושקעים בפיתוח בכיוונים מוכחים, באמצעי חימוש קיימים, או בלחימה בעוני. בנאום מפורסם שנשא באוניברסיטת רייס ב־12 בספטמבר 1962 הצהיר:
קרוב לארבעה חודשים לאחר שיגור ספוטניק 1, שיגרה ארצות הברית את הלוויין הראשון שלה, אקספלורר 1. אולם, בניסיונות הראשונים שעשתה ארצות הברית לשיגור לוויינים לחלל, מספר כישלונות שיגור מביכים אירעו בקייפ קנוורל. בניסיון השיגור הראשון של לוויין אמריקאי לחלל, ואנגרד TV3, ב־6 בדצמבר 1957 התפוצץ המשגר שניות ספורות לאחר השיגור. ניסיון השיגור שודר בשידור חי בטלוויזיה, ובהמשך כינו בעיתונות בלעג את המשגר "קאפוטניק" ו"פלופניק". ניסיון כושל נוסף בתוכנית וונגארד אירע ב־5 בפברואר 1958, ימים ספורים לאחר השיגור המוצלח של אקספלורר 1.
הלוויינים הראשונים כבר שימשו למטרות מדעיות. הן ספוטניק והן אקספלורר 1 שוגרו כחלק מהשתתפות המדינות בשנה הגאופיזית הבינלאומית. הלוויין ספוטניק עזר לקבוע את צפיפות האטמוספירה העליונה ומידע מטיסת אקספלורר 1 הוביל לגילוי חגורת ואן אלן על ידי ג'יימס ואן אלן (שאת קיומה צפה ניקולאס כריסטופילוס היווני).
לווייני תקשורת.
לוויין התקשורת הראשון, SCORE, שוגר ב־18 בדצמבר 1958 והעביר הודעה לרגל חג המולד מהנשיא אייזנהאואר לעולם. דוגמאות מפורסמות אחרות של לווייני תקשורת ששוגרו במהלך המרוץ לחלל, או בהשפעתו, כוללות בין היתר את:
לוויינים נוספים.
ארצות הברית שיגרה את הלוויין הגאוסינכרוני הראשון, סינקום־2, ב־26 ביולי 1963. הצלחה של סוג זה של לוויין אפשרה להשתמש בצלחת לוויין נייחת, בלי שזו תצטרך לעקוב אחר מסלולו של הלוויין, היות שמסלולו של הלוויין היה גאוסטציונרי. מאז, יכלו אזרחים רגילים לקלוט באופן קבוע שידורי טלוויזיה בעזרת לוויינים.
הצלחות סובייטיות נוספות: יצורים חיים בחלל.
בעלי חיים בחלל.
זבובי פירות ששיגרה ארצות הברית על טילי V-2 גרמניים ב־1946 היו לבעלי החיים הראשונים ששוגרו לטיסה תת־מסלולית לצורך מחקר מדעי. בעל החיים הראשון שנשלח למסלול בחלל, כלבה בשם לייקה, נשלחה בחללית ספוטניק 2 הסובייטית ב־1957. באותה עת עוד לא הייתה קיימת הטכנולוגיה להחזרת לייקה לאחר טיסתה, והיא מתה מלחץ ומחום־יתר זמן קצר לאחר שהגיעה לחלל. ב־1960, כלבים רוסיים נוספים, בלקה וסטרלקה, הקיפו את כדור הארץ ושבו בהצלחה. תוכנית החלל האמריקנית ייבאה שימפנזים מאפריקה ושיגרה לפחות שניים מהם לחלל לפני ששיגרה לשם את האסטרונאוט האמריקאי הראשון. בספטמבר 1968, צבים ששיגרה ברית המועצות בזונד 5 הפכו לבעלי החיים הראשונים שטסו סביב הירח.
בני אדם בחלל.
ב־12 באפריל 1961 הפך יורי גגארין לאדם הראשון בחלל עם כניסתו למסלול בחללית ווסטוק 1 הסובייטית. תאריך זה מצוין כיום חג ברוסיה ובמדינות נוספות. 23 ימים לאחר מכן, על החללית פרידום 7, אלן שפרד היה לאמריקני הראשון ששוגר לטיסה תת־מסלולית, אולם רק ב־20 בפברואר 1962 הצליחו האמריקאים לשגר אדם, ג'ון גלן, לטיסה מסלולית בחלל, בחללית פרנדשיפ 7. גלן היה לאמריקאי הראשון שהקיף בהצלחה את כדור הארץ והשלים 3 הקפות.
בין 11 ל־15 באוגוסט 1962 שיגרה ברית המועצות שתי חלליות שהקיפו את כדור הארץ במקביל: ווסטוק 3 ווסטוק 4. הקוסמונאוטית הסובייטית ולנטינה טרשקובה הייתה לאישה הראשונה בחלל ב־16 ביוני 1963 בחללית ווסטוק 6. קורוליוב תכנן בתחילה להמשיך את משימות ווסטוק לזמנים ממושכים יותר, אולם בעקבות ההודעה על תוכנית אפולו האמריקאית, דרש מנהיג ברית המועצות ניקיטה חרושצ'וב פריצות דרך נוספות. הטיסה הראשונה שנטל בה חלק יותר מאיש צוות אחד, הווסחוד 1 הסובייטית, גרסה מותאמת של חללית ווסטוק, המריאה ב־12 באוקטובר 1964 כשעל סיפונה היו הקוסמונאוטים ולדימיר קומארוב, פאוקטיסטוב ויאגורוב. משימה זו הייתה הראשונה שבה הצוות לא לבש חליפות חלל.
ב־18 במרץ 1965 ביצע הקוסמונאוט הסובייטי אלכסיי ליאונוב את הליכת החלל הראשונה, כאשר יצא מהחללית ווסחוד 2. משימה זו כמעט שהסתיימה באסון; לאחר הליכת החלל התקשה ליאונוב לחזור לחללית, ומאוחר יותר, בעקבות תקלה במנועי הבלימה, נחתה החללית במרחק כ־1,600 ק"מ מהמטרה, והצוות שנאלץ לשהות במשך הלילה ביער בהרי אורל היה נתון להתקפות של זאבים. באותה עת חרושצ'וב כבר פרש מתפקידו וההנהגה הסובייטית החדשה לא פעלה בתחום החלל באורח נמרץ כבעבר.
משימות ירח.
למרות ההצלחות שהשיגו ארצות הברית וברית המועצות ושהביאו גאווה רבה לאומות אלו, האקלים האידאולוגי הבטיח שהמרוץ לחלל יימשך לפחות עד שאדם ילך על הירח. לפני ביצוע משימה שכזו, נדרשו חלליות בלתי מאוישות שיחקרו קודם את הירח באמצעות צילומים ויוכיחו את יכולתן לנחות בבטחה על פניו.
גשושיות לא מאוישות.
בעקבות הצלחת ברית המועצות בהצבת הלוויין הראשון בחלל, האמריקאים מיקדו את מאמציהם בשליחת גשושית לירח. הניסיון הראשון לעשות זאת נקרא "תוכנית פיוניר". בנוסף לתוכנית פיוניר, היו לאמריקאים שלושה פרויקטים ספציפיים: תוכנית ריינג'ר, תוכנית לונר אורביטר ותוכנית סורוויור במטרה לאתר נקודות נחיתה פוטנציאליות על הירח עבור החלליות של תוכנית אפולו.
תוכנית הירח הסובייטית הפכה למבצעית עם שיגור לונה 1 וב־4 בינואר 1959 הייתה לונה לגשושית הראשונה על הירח. תוכנית זונד הסובייטית פעלה במקביל והייתה הראשונה לצלם את הצד הרחוק של הירח.
הנחתת אדם על הירח.
בעוד הסובייטים גוברים על האמריקאים במרבית פריצות הדרך הראשוניות במרוץ לחלל, הם הפסידו בהתמודדות מול תוכנית אפולו האמריקאית להנחתת אדם על הירח. לאחר ההצלחות הסובייטיות הראשוניות, בפרט טיסתו של גגארין, חיפשו הנשיא קנדי וסגן הנשיא ג'ונסון פרויקט אמריקני שישבה את דמיונו של הציבור. תוכנית אפולו התאימה למטרותיהם ומנעה ויכוחים עם פוליטיקאים הן מהשמאל (שהעדיפו תוכניות חברתיות) והן מהימין (שהעדיפו פרויקט צבאי יותר).
קנדי וג'ונסון הצליחו לשנות את דעת הקהל הציבורית בארצות הברית: ב־1965, 58% מהאמריקנים תמכו בתוכנית אפולו, לעומת 33% בלבד שנתיים קודם לכן. תמיכתו המתמשכת של ג'ונסון, שהפך לנשיא ב־1963, בתוכנית זו איפשרה את הצלחת הפרויקט.
ברית המועצות הראתה דו־ערכיות גדולה יותר לביקור בני אדם בירח. חרושצ'וב לא היה מעוניין הן ב"הפסד" למדינה אחרת והן במחיר הכרוך בפרויקט שכזה. באוקטובר 1963 הוא תיאר את ברית המועצות כ"לא מתכננת לעת עתה טיסות קוסמונאוטים לירח", אך הוסיף שהם לא יצאו מהמרוץ. רק כעבור שנה ראתה ברית המועצות את עצמה מחויבת לניסיון נחיתה על הירח.