月ほど華やかではなかったが、アメリカとソ連は無人惑星探査でも競争を繰り広げた。ソ連は1960年、金星と火星の両方に史上初めての惑星探査機を送り込んだ。その一方、アメリカの惑星探査計画マリナー計画も大きな結果を残した。金星に無事到達し惑星フライバイを行った最初の宇宙船はアメリカのマリナー2号で、1962年12月14日のことであった。マリナー2号は、金星表面の気温の高さと大気の濃度の高さという驚くべきデータを送信してきた。しかしマリナー2号にはカメラがなかったので、地球にある望遠鏡の能力では見ることのできない惑星表面の鮮明な映像といった印象的なデータを送ってくることができず、その成し遂げた発見は大衆の関心を惹きつけなかった。ソ連は金星に対しベネラ計画で探査を行い、1971年に打ち上げられたベネラ7号は初めて金星に着地した宇宙船となった。ベネラ9号は金星の高熱で壊れる寸前、金星からの映像送信に成功し、人類ははじめて他の惑星の地表の光景を目にすることになった。16号まであるベネラ計画の中でもこの二回は傑出した成功であったが、7号以前のベネラ探査機にも、フライバイを行い金星に着地する意図があった（もっとも大気中で燃え尽きている）。後に続くベネラ探査機では着陸のほか、金星の上からレーダーを使って高精細な金星表面の地図を作成した。1965年に打ち上げられたアメリカのマリナー4号は最初に火星をフライバイした探査機となった。マリナー4号の送信した惑星直近からの映像は、人類の多くにとって予想もしないような荒れ果てた風景だった。また1971年に打ち上げられたソ連のマルス3号は最初に火星に着陸した探査機となったが、砂嵐のため故障し映像の送信には失敗した。同年にアメリカが打ち上げたマリナー9号は初めて他の惑星の人工衛星となり、7,000枚を越える表面画像をもたらした。この情報に基いて1976年に着陸したバイキング計画の1号・2号が、最初に火星表面からの映像送信に成功した探査機となった。1974年、アメリカは金星を通過して水星に向かうマリナー10号を打ち上げた。これは最初の、そして20世紀では唯一の、水星をフライバイした探査機となった。木星以遠はアメリカの独擅場である。アメリカはパイオニア計画を進めパイオニア10号を打ち上げ、1973年、木星接近とフライバイに成功した。パイオニア11号はさらに土星に1979年に接近し、続くボイジャー計画でボイジャー2号が天王星と海王星の最接近とフライバイに成功した。
アメリカとソ連双方がここまでに達成した宇宙開発の成果はそれぞれの国民に大きな誇りを与えたが、双方のイデオロギー対立が依然激しいため、少なくともどちらかの飛行士が月面を歩く時までは宇宙競争をやめることはできなかった。月面着陸という目標の達成に向けて、まず無人探査機が月に到達して上空から写真撮影などをし、安全に月面に着陸できることを証明する必要があった。
全米ボディビルダーで優勝を飾った後、専門のボディビルダーとして大衆から飽きられることに危機感を持ったシュワルツェネッガーは、俳優への転身を図る。その体格を女優のルシル・ボールに見込まれ、『SF超人ヘラクレス』（1970年）のヘラクレス役としてデビュー（この作品ではアーノルド・ストロングとクレジットされている）。1977年にドキュメンタリー『鋼鉄の男 ''Pumping Iron''』に出演する。彼はこの映画を政治家への障害と見なし、1991年に映画の権利、未使用フィルム、スチル写真を購入した。1982年にジョン・ミリアス監督のヒロイックファンタジー映画『コナン・ザ・グレート』に出演し、主役のコナンを熱演。迫力あるアクションシーンで一躍有名となる。さらに1984年のジェームズ・キャメロン監督によるSF映画『ターミネーター』では、同作の悪役アンドロイド「ターミネーター」として観客に強烈な印象を与え、アクション映画俳優として確固たる地位を築き上げる。また翌年の『コマンドー』では自らの演技にコメディの要素を取り入れることに成功し、それまでのアクション俳優にない「知的」な印象を持つ俳優として人気が出始め、スターとしての地位を確立した。『プレデター』(1987)にはミネソタ州知事ジェシー・ベンチュラとケンタッキー州知事選に出馬経験のあるソニー・ランダムが出演している。アクション映画以外にも、名優ダニー・デビートとの競演によるコメディー『ツインズ』（1988）に出演、役柄を広げた。コメディー路線としては『キンダガートン・コップ』（1990）なども挙げられる。前述の二作品におけるそれまで見せる事のなかったコミカルな演技によって、これまでのアクション路線とは一線を画す、新しい境地を見つけたと評価された。1990年の『トータル・リコール』は当時における史上最高額の制作費が投入された映画であり、その多くは特殊効果を含む美術面と、この時点で1000万ドルを突破した彼の出演料に費やされた。出世作である『ターミネーター』の続編『ターミネーター2』(1991)では、役柄が悪役からヒーローへと変わった。1作目とは全てが大きく異なる環境の中で拡大上映された結果、本作は全世界での興行収入が5億6千万ドルを超え、トップスターとしての地位を不動のものにした。しかし、1993年に制作と主演をした『ラスト・アクション・ヒーロー』が公開されたが、大コケした。1994年『トゥルーライズ』、1996年『イレイザー』は世界的にヒット。一方、1997年公開の『バットマン&ロビン Mr.フリーズの逆襲』は国内の興行収入は芳しくなく、評判も芳しくなかった。また、同年には先天性心疾患が原因で心臓弁を取り換える手術を行った。この際には、合併症を起こしている。2018年にはカテーテルを使った手術を受けている。心臓の弁は豚の物を使用しているという。これに関しては、ステロイドが原因ではとの声も上がった。1999年に公開された「エンド・オブ・デイズ」で俳優復帰。2003年には「キャメロンが監督しないのなら出演しない」と発言していた『ターミネーター3』に出演。当時ハリウッド史上最高額となる3000万ドルの出演料を手にしたが、前作ほどの評価を得られず、興行収入も低迷した。2004年『80デイズ』へのカメオ出演を最後に、下記のカリフォルニア州知事選などの政治業を主に行うため俳優業を暫くの間休業することになった。そのため、『ターミネーター4』(2009)には若き日のシュワルツェネッガーの顔をローランド・キッキンガーの体にCG合成している。2011年より州知事の任期終了に伴い俳優業に本格的に復帰している。しかし、復帰作の「ラストスタンド」はこれまでの主演作の中では最低の興行収入を記録するなど大コケした。その後の主演作も不発続きであり、『ターミネーター:新起動/ジェニシス』もアメリカでは9000万ドルを下回る興行収入で3や4以下の結果になるなど大コケし、批評家からは酷評された。そのため、当初は三部作の予定であったが続編の制作は無期限の延期が報道され、後に次回作はジェニシスの続きではないことが公表された。