בשנות ה־70 החלה המלחמה הקרה להתפוגג וכך נולדה תוכנית אפולו־סויוז (ASTP). תוכנית זו הייתה תוכנית החלל המשותפת הראשונה של ארצות הברית יחד עם תוכנית החלל הסובייטית. חללית אפולו וחללית סויוז שוגרו ביולי 1975 ונפגשו בחלל. עבור ארצות הברית הייתה זו טיסת החלל המאוישת האחרונה (והשיגור האחרון של חללית אפולו) עד לשיגור מעבורת החלל קולומביה באפריל 1981.
במשימה בוצעו מספר ניסויים מדעיים, חלקם בנפרד וחלקם בשיתוף שני הצוותים. המשימה סיפקה ניסיון הנדסי למשימות משותפות עתידיות של ארצות הברית ורוסיה כדוגמת תוכנית מיר ומעבורות החלל ותחנת החלל הבינלאומית.
תוכנית מעבורות החלל (1981-2011).
תוכנית מעבורות החלל קיבלה פוקוס מנאס"א החל משנות ה־70 והיוותה את מרכז פעילות נאס"א בתחום הטיסות המאוישות לחלל עד לסיום התוכנית ב־2011. במרכז התוכנית נמצאת מעבורת החלל - חללית מאוישת לשימוש חוזר. 4 מעבורות חלל נבנו עד ל־1985. מעבורת החלל קולומביה שוגרה למשימת המעבורות הראשונה, STS-1, ב־12 באפריל 1981 - יום השנה ה־20 לטיסתו של יורי גגארין.
מעבורת החלל הייתה חללית בעלת כנפיים דומה מאוד למטוס שחוברה למכל דלק חיצוני (חד־פעמי) גדול יותר מהמעבורת עצמה ולשתי רקטות האצה שהשתמשו בדלק מוצק (שהיו ניתנות לשימוש חוזר). המעבורת שוגרה למסלול בגובה 185–643 ק"מ ויכלה לשאת מטען מקסימלי של עד 24,400 ק"ג למסלול לווייני נמוך. משימת מעבורת יכלה להימשך בין 5 ל־17 ימים וצוות המעבורת נע בין 2 ל־8 אסטרונאוטים.
ב־20 משימות מעבורות, בין 1983 ל־1998, נשאו המעבורות את מעבדת החלל ספייסלאב, שנבנתה והופעלה יחד עם סוכנות החלל האירופאית. המעבדה הייתה מוכנסת לתא המטען של המעבורת והייתה משוגרת ונוחתת בשלמותה. שורת משימות ידועה נוספת היא משימת השיגור של טלסקופ החלל האבל ומספר משימות שירות אל הטלסקופ במהלכם הוחלפו חלקים פגומים ושודרגו חלקים ישנים. 5 משימות שירות שוגרו אל הטלסקופ, האחרונה שבהם במאי 2009.
מעבורות החלל שימשו גם בתוכנית מיר ומעבורות החלל, תוכנית משותפת של ארצות הברית וסוכנות החלל הרוסית, במסגרתה שוגרו מעבורות אל תחנת החלל מיר הרוסית ועגנו בה. המעבורות סייעו גם בבניית תחנת החלל הבינלאומית ובתחזוקה ובהחלפת הצוותים שבה עד לסיום תוכנית המעבורות ביולי 2011.
במהלך תוכנית מעבורות החלל אירעו שני אסונות, ושתי מעבורות אבדו וצוותיהם (סך הכל 14 אסטרונאוטים) נספו. אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר אירע ב־1986 בעת שיגורה של המעבורת צ'לנג'ר למשימת STS-51-L ואסון מעבורת החלל קולומביה אירע בעת חזרת המעבורת קולומביה ממשימת STS-107. לאחר אסון הצ'לנג'ר בנתה נאס"א מעבורת נוספת, אנדוור, שהחליפה את המעבורת צ'לנג'ר שאבדה. למעבורת קולומביה שאבדה ב־2003 לא נבנתה מחליפה. 135 משימות מעבורות שוגרו במסגרת תוכנית המעבורות עד סיומה עם נחיתתה המוצלחת של מעבורת החלל אטלנטיס ב־21 ביולי 2011 במרכז החלל קנדי. התוכנית נמשכה 30 שנה ובמסגרתה שוגרו למעלה מ־300 אסטרונאוטים לחלל.
לאחר סיום התוכנית, נאס"א מממנת את שיגור האסטרונאוטים ברכישת מקומות על חללית הסויוז.
תחנת החלל הבינלאומית (1998-היום).
תחנת החלל הבינלאומית היא איחוד של מספר תחנות חלל שתוכננו כמיזמים נפרדים בידי מספר סוכנויות חלל, ובהן: "פרידום" האמריקאית, "מיר־2" הרוסית, "קולומבוס" האירופאית ו"קיבו" היפנית. שורשי המיזם נעוצים בתוכנית מיר ומעבורות החלל בשנת 1994, והמיזם עצמו החל עם שיגור היחידה הראשונה ב־1998 על גבי הטיל הרוסי פרוטון, ונמשך עם שיגור והרכבת חלקים נוספים כחלק ממטען מעבורות החלל, טילי פרוטון ומשגרי סויוז רוסיים.
תפעול תחנת החלל הבינלאומית נעשה על ידי חמש סוכנויות החלל בו־זמנית באמצעות מרכזי שליטה ובקרה הנמצאים בכדור הארץ. הבעלות וזכויות השימוש בתחנה נקבעו בשורה של הסכמים וחוזים הנותנים לסוכנות החלל הפדרלית של רוסיה בעלות מלאה על היחידות שלה, בעוד שאר התחנה נמצאת בבעלות משותפת של ארבע הסוכנויות האחרות. עלות התחנה כולה מוערכת בכ־100 מיליארד אירו והיא נחשבת למבנה היקר ביותר שנוצר אי פעם.
המימון, יכולת המחקר ותפעול התחנה ביעילות, הם קריטיים עקב העלויות הגבוהות. התחנה מקבלת שירות באמצעות חלליות סויוז, פרוגרס, מעבורות החלל (לפני הוצאתן משירות), חלליות ATV ו־H-II Transfer Vehicle, ומבקרים בה אסטרונאוטים וקוסמונאוטים מ־15 אומות שונות.
התחנה מאוישת כיום בצוותים ומשלחות של אסטרונאוטים וקוסמונאוטים המונים עד ל־6 אנשים בכל משלחת ומחזיקה בשיא הנוכחות האנושית הרציפה הארוכה ביותר בחלל, עם פעילות אנושית רציפה מה־31 באוקטובר 2000. התחנה צפויה להיות פעילה עד לשנת 2024.
תוכנית קונסטליישן (בוטלה).
תוכנית קונסטליישן הייתה תוכנית מאוישת שתוכננה על ידי נאס"א ושמטרותיה העיקריות היו פיתוח חלליות מאוישות חדשות (אוריון ואלטאיר) שיחליפו את מעבורות החלל, פיתוח משגרים חדשים (ארס 1 וארס 5), נחיתה על הירח (בסביבות שנת 2020) והקמת מושבת קבע עליה כל זאת כהכנה למשימות מאוישות למאדים לא לפני שנות ה־30 של המאה הנוכחית.
התוכנית החלה את דרכה עם החזון לחקר החלל של נשיא ארצות הברית ג'ורג' וו. בוש בינואר 2004 שכלל את השלמת בניית תחנת החלל הבינלאומית ופרישת מעבורות החלל עד לסביבות 2010.
בהצעת התקציב לשנת 2011 שהגיש נשיא ארצות הברית ברק אובמה לקונגרס נכלל ביטולה המוחלט של תוכנית קונסטליישן וב־1 בפברואר 2010 הוצג התקציב הפדרלי שלא כלל את המשך הפיתוח של התוכנית.
למרות ביטול התוכנית הודיעה נאס"א ב־24 במאי 2011 כי פיתוח החללית אוריון יימשך תחת השם Multi-Purpose Crew Vehicle. כמו כן הודיעה נאס"א בספטמבר 2011 כי היא החלה בתכנון משגר חדש, ה־SLS, שיחליף את ארס־1 ואת ארס־5 וישא את האסטרונאוטים שלה אל מעבר למסלול סביב כדור הארץ.
התוכנית המאוישת המסחרית (2020-היום).
התוכנית המאוישת המסחרית היא תוכנית חלל מאוישת של נאס"א בשיתוף חברות האווירונאוטיקה בואינג ו-SpaceX. ייעוד התוכנית הוא לשאת אסטרונאוטים אל ומתחנת החלל הבינלאומית ולסייע בהחלפת צוותי התחנה. בתוכנית נעשה שימוש בשתי חלליות; הסטארליינר של בואינג והדרגון 2 של SpaceX. בתוכנית זו, בניגוד לתוכניות מאוישות בעבר ולראשונה בהיסטוריה, אלו הן חברות פרטיות אשר מנהלות בעצמן שיגורי טיסות חלל מסלוליות מאוישות. תוכנית זו באה לאחר כמעט עשור בו הייתה תלויה נאס"א בתוכנית סויוז הרוסית על מנת לשלוח אסטרונאוטים אמריקאים אל תחנת החלל הבינלאומית עקב סיומה של תוכנית מעבורות החלל בשנת 2011. כל משימה בתוכנית המאוישת המסחרית תישא ארבעה אסטרונאוטים אל תחנת החלל הבינלאומית על סיפון הסטארליינר או הדרגון 2, עם אופציה לאסטרונאוט חמישי. חלליות הדרגון 2 משוגרות על משגר הפאלקון 9 וחוזרות לכדור הארץ בצניחה במימי האוקיינוס האטלנטי. חלליות הסטארליינר משוגרות על משגר האטלס 5 ונוחתות על אדמת מערב ארצות הברית עם כריות אוויר. המשימה המבצעית הראשונה של SpaceX מתוכננת לספטמבר 2020 והמשימה המבצעית הראשונה של בואינג מתוכננת לשנת 2021.
משימות בלתי מאוישות.
מיום הקמתה שיגרה נאס"א עשרות משימות חלל בלתי מאוישות. רבות מהמשימות שוגרו במסגרת תוכניות כמו תוכנית פיוניר ותוכנית ויקינג ומשימות נוספות שוגרו כמשימות יחידות ללא תוכנית אם. כיום כל משימות נאס"א לחקר מערכת השמש משויכות לשלוש תוכניות אם: תוכנית דיסקברי למשימות בעלות נמוכה, תוכנית הגבולות החדשים למשימות בעלות של עד כ־700 מיליון דולר ותוכנית פלאגשיפ למשימות בעלות של 2–3 מיליארד דולרים. הרשימה הבאה כוללת את המשימות הבולטות ביותר של נאס"א.
מרכז המבקרים של נאס"א בפלורידה – קייפ קנברל – חוף החלל Cape Canaveral.
מרכז החלל על שם קנדי (Kennedy Space Center).
מרכז החלל על שם קנדי הוא מתקן חלל פעיל, בו עובדים אסטרונאוטים, חוקרים ומהנדסים על משימות החלל הבאות. חלק מהאנשים העובדים שם, היו בחלל או מתוכננים לטוס לחלל בשנים הקרובות. במרכז מעבורת החלל פועלים אף אסטרונאוטים פעילים. מרכז החלל קנדי כולל בתוכו מרכז מבקרים, בו הושקעו מאות מיליוני דולרים, ובו ניתן לראות עמדת שיגור, חלליות, מיצגים ותערוכות בנושא חקר החלל בעבר ובהווה.
מרכז אפולו/סטורן V.
במרכז זה שוכנים טילי החלל סטורן V, משגרי החלל הגדולים ביותר שנוצרו אי פעם ושימשו לנחיתה של חלליות האפולו על הירח. במקום בין היתר, נמצאות אבני ירח אמיתיות שאסטרונאוטים שהיו על הירח הביאו לכדור הארץ.
מנהלי נאס"א.
מנהל נאס"א הוא העומד בראש סוכנות החלל האמריקאית והוא משמש גם כיועץ הבכיר למדעי החלל של נשיא ארצות הברית. משרדי ההנהלה של נאס"א שוכנים במטה הראשי של נאס"א הממוקם בוושינגטון די. סי. והם האחראים על כל פעילויות הסוכנות.
מנהלה הראשון של נאס"א היה קית' גלנן ותחת אחריותו אוחדו תעשיות החלל האמריקאיות עד להרכבת סוכנות חלל אחת - נאס"א. דניאל גולדין היה מנהלה של נאס"א למשך התקופה הארוכה ביותר (9.5 שנים) והוא ידוע בעיקר בטביעת המוטו של תוכנית דיסקברי אותה הוא החל: "זול יותר, מהיר יותר, יעיל יותר". האדם היחיד שהחזיק במשרת מנהל נאס"א פעמיים הוא ג'יימס פלטשר שחזר לראשות נאס"א לאחר אסון הצ'לנג'ר. חלק ממנהלי נאס"א (כולל הנוכחי) היו בעברם אסטרונאוטים שטסו במשימות חלל של נאס"א.
סגן (או סגנית) מנהל נאס"א הוא השני בשרשרת הפיקוד של נאס"א. סגן המנהל מייצג את נאס"א במשרד ההוצאה לפועל של נשיא ארצות הברית, בקונגרס, בפני סוכנויות חלל אחרות ובפני ארגונים שונים.