קנדי הציע תוכניות משותפות, כגון הנחתה על הירח של אסטרונאוטים אמריקאים וסובייטים ולווייני ניטור מזג אוויר משופרים. חרושצ'וב, שחש שזהו ניסיון לגנוב את יתרונה של טכנולוגיית החלל הסובייטית, דחה את הרעיונות. קורוליוב, המתכנן הראשי של סוכנות החלל הסובייטית, החל בקידום חללית הסויוז והמשגר N-1 כך שיהיו בעלי יכולת לנחיתה מאוישת על הירח. חרושצ'וב הנחה את לשכת התכנון של קורוליוב להביא להתקדמות נוספת באמצעות שינוי הטכנולוגיה הקיימת של הווסטוק, בעוד קבוצה שנייה החלה בבניית חללית ומשגר חדשים לחלוטין, פרוטון וזונד, לטיסת ירח מאוישת ב־1966. ב־1964 העניקה ההנהגה הסובייטית החדשה בראשות ליאוניד ברז'נייב את תמיכתה לקורוליוב לניסיון נחיתה על הירח והעבירה את כל הפרויקטים המאוישים תחת פיקוחו. עם מותו של קורוליוב וכישלון טיסת הסויוז הראשונה ב־1967, הסדר של התוכנית הסובייטית לנחיתה על הירח התערער במהירות. הסובייטים בנו חללית נחיתה ובחרו קוסמונאוטים למשימה שתציב את אלכסיי ליאונוב על פני הירח, אך עם כישלונות השיגור הרצופים של משגר ה־N-1 ב־1969, התוכניות להנחתת אדם על הירח סבלו תחילה מדחייה ולאחר מכן בוטלו.
אפולו 11.
אף על פי שגשושיות סובייטיות לא־מאוישות הגיעו לירח לפני החלליות האמריקניות, ניל ארמסטרונג האמריקאי היה לאדם הראשון שהניח את רגלו על פני הירח ב־21 ביולי 1969, יום לאחר הנחיתה. שותפיו של ארמסטרונג למשימה היו מייקל קולינס, טייס מודול הפיקוד, ובאז אולדרין, טייס מודול הירח. האירוע שודר בטלוויזיה ונצפה על ידי יותר מ־500 מיליון בני אדם ברחבי העולם. הנחיתה על הירח היא אחד הרגעים שעיצבו את פני המאה ה־20, ומילותיו של ארמסטרונג כשנגע לראשונה בפני הירח הפכו במקביל לבלתי נשכחות:
רוברים.
תוכנית לונוחוד הסובייטית פעלה בין 1969 ל-1977 והנחיתה רכבים בלתי מאוישים עם ציוד מדידה על הירח. ב-1970 לונוחוד 1 שנחת בים הגשמים היה הרובר הרובוטי הראשון שנחת בשלום על גרם שמימי. לונוחוד 2 נחת על הירח בשנת 1973. הרובים הסובייטים ביצעו צילומים ומדידות מדעיות, אשר שוגרו לכדור הארץ. הרוברים פעלו על לוחות סולאריים באור ונכנסו לתרדמת בחושך.
הישגים נוספים.
משימות לכוכבי לכת אחרים.
ברית המועצות הייתה הראשונה לשלוח גשושיות לכוכבי לכת אחרים, הן לנוגה והן למאדים ב־1960. החללית הראשונה שטסה בהצלחה ליד נוגה, מארינר 2 האמריקאית, עשתה זאת ב־14 בדצמבר 1962. היא שידרה חזרה לכדור הארץ מידע חדש על הטמפרטורה הגבוהה של פני השטח ועל צפיפות האוויר של נוגה. מאחר שהחללית לא נשאה מצלמות, הממצאים שהביאה לא זכו לתשומת לב ציבורית כמו תמונות מגשושיות חלל אחרות. תמונות אלה היו איכותיות יותר מתמונות שניתן היה לצלם בעזרת טלסקופים על פני כדור הארץ. ונרה 7 הסובייטית ששוגרה ב־1971 הייתה לחללית הראשונה שנחתה על נוגה. אף על פי שהמצנח שלה לא פעל כראוי בשלב האחרון, דבר שגרם לנחיתה תוך התנגשות בקרקע במהירות של כ־60 קמ"ש, הגשושית שרדה והייתה לגשושית הראשונה שהחזירה מידע מפני הקרקע של נוגה. באוקטובר 1975, משימת ונרה 9 שידרה מנוגה את התמונות הראשונות מפני השטח של כוכב לכת אחר. שתי חלליות אלו היו רק שתיים מתוך סדרה ארוכה של חלליות ונרה; כמה חלליות אחרות שקדמו להן בסדרה עברו בסביבת נוגה וניסו לבצע משימות נחיתה. שבע חלליות ונרה נוספות שוגרו לאחר מכן.
ארצות הברית שיגרה את מארינר 10 שעברה ליד נוגה בדרכה אל כוכב חמה ב־1974, ובכך הפכה חללית זו לראשונה שחלפה ליד כוכב הלכת הפנימי ביותר. חללית מארינר 4 האמריקאית ששוגרה ב־1965 הייתה החללית הראשונה שטסה ליד מאדים והיא שידרה תמונות חשובות של פני השטח. החללית הראשונה שנחתה על מאדים, מארס 3 ששוגרה ב־1971 על ידי ברית המועצות, לא שידרה תמונות בחזרה. חלליות ויקינג האמריקאיות שידרו ב־1976 את התמונות הראשונות מכוכב הלכת עצמו. ארצות הברית שיגרה גם את הגשושית פיוניר 10 שחלפה ליד כוכב הלכת צדק ב־1973, ואת המעבר הראשון ליד שבתאי ביצעה פיוניר 11 ב־1979. ארצות הברית שיגרה ב־1977 את וויאג'ר 1 ואחר כך את וויאג'ר 2 שביצעה את שני המעברים הראשונים, והיחידים, ליד אורנוס ונפטון. ארבע גשושיות אלה כבר יצאו מתחום מערכת השמש.
שיגורים ועגינה.
פגישת החלל הראשונה נערכה בין שתי החלליות האמריקניות ג'מיני 6 וג'מיני 7, אשר נפגשו ב־15 בדצמבר 1965. בשיאה של הפגישה היו החלליות במרחק של 30 ס"מ בלבד זו מזו. החללית שבאה לאחריהן, ג'מיני 8, ביצעה את עגינת החלל הראשונה ב־16 במרץ 1966 ויצרה מגע פיזי עם הלוויין Agena.
ב־30 באוקטובר 1967 נעשתה עגינת החלל האוטומטית הראשונה, שחיברה את החללית קוסמוס 186 הסובייטית לחללית קוסמוס 188. אלו היו שתי חלליות סויוז לא־מאוישות, משקל כל חללית היה 6,530 ק"ג. המסלול של "קוסמוס 186" נע בגבהים שבין 179 ק"מ ל־223 ק"מ, ואילו מסלולה של "קוסמוס 188" נע בגבהים שבין 180 ק"מ ל־247 ק"מ.
השיגור הראשון מן הים התבצע ב־26 באפריל 1967, כאשר שוגר הטיל סקוט בי האמריקני שנשא לוויין איטלקי מכן שיגור בנמל החלל סן מרקו לא הרחק מחופי קניה. תחנת החלל הראשונה, סליוט 1 הסובייטית, אוישה החל מ־7 ביוני 1971 במשך 23 יום.
תחרות צבאית בחלל.
באופן לא גלוי, אך תחרותי לא פחות, היה מרוץ פיתוחי חלל לצרכים צבאיים, מאמץ שהתקדם במקביל למאמצים המדעיים. עוד לפני שיגור ספוטניק 1, הן ארצות הברית והן ברית המועצות החלו לפתח תוכניות ללווייני ריגול. חללית זניט הסובייטית, שתכנונה הבסיסי היה דומה מאוד לחללית הווסטוק, שימשה כלוויין ריגול. חללית זו התחרתה עם סדרת דיסקברר של חיל האוויר האמריקני. חללית הדיסקברר XIII נשאה עליה את המטען הראשון שהוחזר מן החלל באוגוסט 1960 - יום לפני המטען הראשון שהוחזר לכדור הארץ על ידי הסובייטים.
שתי המעצמות פיתחו תוכניות חלל צבאיות גדולות ומקבילות. דפוס נפוץ במרוץ היה שארצות הברית ביטלה תוכניות לאחר השלמת דגם בלבד, בעוד שברית המועצות בנתה, או אף שיגרה את תוצרי תוכניותיה הצבאיות לחלל.
שתי המדינות פיתחו תוכניות חלל צבאיות מאוישות. חיל האוויר האמריקני הציע לשגר באמצעות משגר טיטאן את הדאון העל־קולי X-20 דינה־סואר ליירוט לווייני אויב. התוכנית למעבדה מסלולית מאוישת (Manned Orbiting Laboratory) החליפה את דינה־סואר, אך גם תוכנית זו בוטלה. ברית המועצות פיתחה את תוכנית אלמאז לתחנת חלל צבאית מאוישת דומה, שמוזגה עם תוכנית סאליוט.
סוף המרוץ לחלל.
בעוד ששיגור החללית ספוטניק 1 יכול להיחשב באופן ברור כתחילת המרוץ לחלל, סופו של המרוץ פחות ברור. ההתמודדות במרוץ נעשתה בלהט רב ביותר במהלך שנות השישים, והמרוץ נמשך כך עד הנחיתה על הירח ב־1969. על אף שלאחר הנחיתה על הירח של אפולו 11, נשלחו עוד משימות לנחיתה על הירח, מדעני החלל האמריקנים פנו לזירות חדשות. בין היתר, הם עבדו על תחנת החלל סקיילאב שתאסוף מידע, ומעבורות חלל שתוכננו לשמש לצורך הצבת ספינות ומכשירים מדעיים בחלל ולהחזרתם עם סיום משימתם. האמריקאים עשויים לטעון כי בכך שהנחיתו את האדם הראשון על פני הירח הם ניצחו במרוץ הלא רשמי, אך לעומתם, הסובייטים מעולם לא הודו בהפסד. בכל מקרה, עם דעיכתה של המלחמה הקרה, וכשמדינות נוספות החלו לפתח תוכניות חלל משלהן, רעיון "המרוץ" בין שתי המעצמות הפך לפחות אמיתי.
המרוץ לחלל הואט לאחר נחיתת אפולו, ורבים רואים בה כנקודת שיא המרוץ או אף את סופו. אחרים, רואים את סופו הברור של המרוץ עם משימת אפולו־סויוז המשותפת ב־1975. החללית הסובייטית סויוז 19 פגשה בחלל את אפולו 18 האמריקאית. שתי החלליות עגנו יחד והאסטרונאוטים מהמדינות היריבות עברו ביניהן והשתתפו בניסוי משותף. על אף שהמאמץ בחלל של כל מדינה נמשך, הם הלכו ב"כיוונים" שונים, ורעיון ה"מרוץ" הנמשך בין שתי המדינות היה לנחלת העבר לאחר האפולו־סויוז.
בתגובה לתוכנית מעבורות החלל האמריקאית, החלו הסובייטים לעבוד על פרויקט מעבורת החלל בוראן ועל משגר אנרגיה. בשנות השמונים המוקדמות ההתחלה של יוזמת ההגנה האסטרטגית האמריקאית (באופן לא רשמי נודעה גם כפרויקט מלחמת הכוכבים), שבמסגרתה שאפה ארצות הברית להקים מערך הגנה בחלל נגד טילים בליסטיים, הסלימה הלאה את התחרות שאת סופה המוחלט ניתן לציין רק עם נפילת הגוש הקומוניסטי ב־1989.
ארגון, מימון והשפעה כלכלית.
ההוצאות הכספיות העצומות והבירוקרטיה שנדרשה למסע מוצלח בחלל הובילו ליצירת סוכנויות חלל. ארצות הברית וברית המועצות פיתחו תוכניות שהתמקדו אך ורק בדרישות תעשייתיות ומדעיות למאמצים אלו. ב־29 ביולי 1958 חתם הנשיא אייזנהאואר על "חוק נאס"א", והארגון החל את פעולתו ב־1 באוקטובר 1958. נאס"א נבנתה על יסוד ארגון NACA, שקדם לה, והתקציב שלה הועמד על כ־5 מיליארד דולר לשנה, לעומת תקציב שנתי של 5 מיליון דולר בלבד של NACA. עלותה של הנחיתה על הירח במהלך משימת אפולו 11, הנחשבת לנקודת השיא בהישגי נאס"א, מוערכת בסכום של 20 עד 25 מיליארד דולרים.