lde etme çabalarının tohumlarını oluşturur. II. Dünya Savaşı'nın ardından NACA'ya katılan Alman aerodinami uzmanları kuruma büyük katkılar sağlar. Özellikle jet motorları ve süpersonik uçakların tasarımında ilerleme kaydedilir. 29 Temmuz 1958'de ABD Başkanı Dwight D. Eisenhower, kurumun adını NASA olarak değiştiren yasayı onayladı.

1 Ekim 1958'de NASA, 4 laboratuvar, 8.000 çalışanı ve yıllık 100 milyon dolarlık bütçesi ile 46 yıllık geçmişe sahip bir kurumun (NACA) ve liderliğini Wernher von Braun'un yaptığı Alman roket programının önemi tartışmasız katkılarıyla, köklü bir kurum haline gelir. Wernher von Braun halen Amerikan Uzay Programının babası olarak nitelendirilir. Ajansın çalışmalarının askeri amaçlarla kullanılması için Şubat 1958'de The Advanced Research Projects Agency (ARPA) [İleri Araştırma Projeleri Ajansı] kurulur. Askeri Balistik Füze Ajansı (Army Ballistic Missile Agency) ve Donanma Araştırma Laboratuvarı'nın bir kısmı da yine NASA'ya dahil edilen birimler arasındadır. Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri'nin araştırmalarının bir kısmı da NASA'ya transfer edildi. Aralık 1958'de Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nün Jet Propulsion Laboratory (Jet İtki Laboratuvarı) NASA'ya bağlandı.

Cape Canaveral diye bilinen dev uzay üssünde fırlatma rampaları, uzay kontrol merkezleri, telekomünikasyon sistemleri gibi sayısız tesis yer almaktadır.

NASA'nın şimdiye kadar yaptığı uzay çalışmaları, büyük oranda başarıyla sonuçlanmış fakat ABD'ye milyarlarca dolara mal olmuştur. Özellikle Ay'ın fethiyle sonuçlanan Apollo programı, Skylab, uzay mekiği programları çok büyük harcamaları gerektirmiştir. Ancak 21. yüzyıla doğru gerçekleştirilmesi beklenen büyük uzay istasyonları, Ay istasyonu ve Mars seferi programları yanında, önceki harcamaların çok küçük kalacağı hesaplanmaktadır.

NASA bugüne kadar pek çok insanlı ve insansız uçuş programı gerçekleştirmiştir. İnsansız uçuş programları kapsamında bilimsel ve iletişim amaçlı ilk Amerikan uydularını yörüngeye oturttu. Venüs ve Mars ile başlayarak Güneş Sistemi'ni keşfetmek için uzaya çeşitli sondalar yolladı. İnsanlı uçuş programı kapsamındaysa ilk defa Amerikalı astronotları Alçak Dünya yörüngesi'ne yolladı. 1969 - 1972 yılları arasında Apollo Projesi kapsamında Ay'a on iki astronot göndererek Sovyetler Birliği ile girdiği "Uzay Yarışı'nı" kazandı.

NASA, NACA tarafından başlatılan deneysel roket gücüyle çalışan uçak programını uzaya insan gönderme programını desteklemek için büyüttü. 
Bunu tek kişilik roket programı izledi. Sovyetler Birliği'nin uzay alanındaki gelişmişliği hem Amerika'nın ulusal onuruna zarar veriyordu hem de bir güvenlik sorunu oluşturuyordu. Bu sorunların üzerine 1961 yılında Başkan John F. Kennedy'nin 60'ların sonunda Ay'a bir insan gönderip geri getirme hedefini getirdi. Bu hedef 1969 yılda Apollo Projesi kapsamında gerçekleşti. NASA bu defa Mars'a insan gönderme projesini gerçekleştirmek istedi ama yaşanan gelişmelerle politik önceliklerin değişmesi üzerine pek çok proje rafa kaldırılmak zorundaydı. NASA, yeniden kullanılabilir uzay mekiği ve yörüngede kalıcı bir istasyon projesine döndü. 1990'larda kalıcı uzay istasyonu için bütçe çıktı. Bu projede diğer ulusal uzay ajanları ve eski rakibi Rusya ile iş birliği içinde çalıştı. Bugüne kadar 166 insanlı görev ve USAF uzay sınırı 260,000 feet (yaklaşık 80 km) üstünde on üç tane X-15 uçuşu gerçekleştirdi.

X-15 aslında NACA'nın deneysel hipersonik roket uçak projesi olarak başladı. Proje Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri ve Donanması da katkıda bulundu. 30 Aralık 1954'te gövde, 4 Şubat 1955'te motor için ihale düzenlendi. Gövde yapım işini North American Aviation, XLR30 motorunun yapım işini ise Reaction Motors üstlendi ve üç uçak yapıldı. Uçak NASA'ya ait iki Boeing B-52 Stratofortress'in kanatları arasından 45,000 feet (~14 km) yükselikten ve 500 mph (~508 km/s) hızla bırakılarak ilk defa test edildi.
Program için Donanma'dan, Hava Kuvvetleri'nden ve NACA'dan (sonrasında NASA) on iki pilot seçildi. 1959 - 1968 arasında yüz doksan dokuz uçuş gerçekleştirildi. Bu uçuşlar sırasında insanlı bir hava aracıyla yapılan hız rekoru 6.72 Mach (7,273 km/s) kırıldı (günümüz 2014'te kadar geçerli). X-15'in irtifa rekoru ise 354,000 feet (107.96 km). Sekiz pilot 260,000 feet (80 km) üstünde uçtuğu için Hava Kuvvetleri tarafından astronot rozeti ile ödüllendirildi. Joseph A. Walker tarafından 100 kilometre (330,000 ft) üstünde gerçekleştirilen iki uçuş sayesinde, Uluslararası Havacılık Federasyonu standartlarına göre X-15 uzay aracı sıfatını kazandı. Program gelecek çalışmalar için uzay aracının duruşunu düzenleyen reaksiyon kontrol sistemi jetleri, basınçlı uzay giysisi ve ufuk tanımlı navigasyon gibi pek çok teknik buluş ortaya koydu. Atmosfere giriş ve iniş sırasında toplanan veriler gelecek uzay araçlarının tasarımına büyük katkı sağladı.

Uzay Yarışı'ındaki ilk hedeflerden biri Dünya yörüngesine bir insanı ilk göndermekti. Bu hedefe ulaşmak için Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri Men in Space Soonest (en kısa sürede uzayda insan) projesini hazırladı. Yörüngeye gidebilmek için X-15 gibi uçaklar ya da küçük balistik uzay kapsülleri kullanmayı uygun görüldü. 1958 yılına gelindiğinde proje için uzay kapsülü tasarımları seçildi. Aynı yıl NASA kurulunca proje NASA'ya devredildi ve "Mercury Projesi" olarak yeniden adlandırıldı.
Proje için ilk yedi astronot Donanma, Hava Kuvvetleri ve Deniz Piyade test pilotlarından seçildi. 5 Mayıs 1961 günü astronot Alan Shepard Freedom 7 roketiyle uzaya çıkan ilk Amerikalı oldu. 20 Şubat 1961 günü John Glenn Atlas roketi Friendship 7 ile örüngeye yollanan ilk Amerikalı astronot oldu. Dünya'nın etrafında üç defa döndükten sonra yeryüzüne geri döndü. Son olarak 15-16 Mayıs 1963 günlerinde Gordon Cooper Faith 7 ile Dünya'nın etrafında 22 kere döndü.

Sovyetler Birliği bu yarışa kendi tek pilotlu uzay aracı Vostok ile dahil oldu. Kosmonot Yuri Gagarin'i Nisan 1961'de Vostok 1 ile uzay göndererek Amerika'yı bir aylık farkla yarışın bu aşamasında yendiler. Ağustos 1962'de Andrian Nikolayev'i Vostok 3 ile yaklaşık dört günlük bir rekor uçuşla uzaya yolladılar. Eş zamanlı olarak Pavel Popoviç'i Vostok 4 ile uzaya göderdiler.

Mercury uzay aracının kapasitesinin arttırılıp uzun süreli uzay uçuşlarına hazırlanmak, uzay randevusu tekniklerini geliştirmek ve Dünya'ya hassas inişi sağlayabilmek temellerine dayanan bir projedir. 1962 yılında Sovyetleri geçmek, Apollo Projesi'ne destek olmak, uzay taşıtı dışı etkinlik (UTDE), randevu ve uzayda araçlara bağlanmayı sağlama hedefleriyle kuruldu. Görevler iki astronotla gerçekleştiriliyordu. İlk insanlı Gemini uçuşu Gemini 3 23 Mart 1965'te Gus Grissom ve John W. Young tarafından gerçekleştirildi. 1965 - 1966 yılları arasında dokuz görev yapıldı. On dört günlük dayanıklılık görevi kapsamında randevu, bağlanma, UTDE ve yer çekimsiz ortamın insan sağlığı üstündeki etkileri konusunda tıbbı veri toplandı.

Nikita Kruşçev yönetimindeki Sovyet Rusya Gemini Projesi'ne karşı Vostok uzay aracının tasarımını değiştirerek 
iki veya üç kişilik Voskhod uzay aracını geliştirdi. Gemini'nin ilk uçuşundan önce iki kişilik bir uçuşu başardılar. Ayrıca 1963 yılında üç kozmonotlu uçuşu ve 1964 yılında ilk UTDE'yi gerçekleştirmeyi başardılar. Bundan sonra program iptal edildi ve Gemini arayı kapattı fakat bu sırada Sergey Korolyov Apollo Projesi'nin karşılığı Soyuz uzay aracını geliştirdi.

Amerikan kamu oyunun gözünde Sovyetler'in Ay'a ilk kozmonotu göndererek Uzay Yarışı'nı kazanması kesin görünüyordu. Bu nedenle Başkan John F. Kennedy 25 Mayıs 1961'de Kongre'ye federal hükumetin 1960'ların sonuna kadar Ay'a astronot göndermesi için bir proje tasarısı sundu. Bu proje daha sonra Apollo Projesi adını aldı.

Apollo Projesi, en pahalı Amerikan bilimsel programlarından biridir. Tahmini olarak $ [milyar] tutmuştur(günümüz ABD doları ile;karşılaştırırsak, Manhattan Projesi tahmini $ [milyar] tutmuştur , enflasyon hesaplandığında).

Önceki projelere göre daha uzağa fırlatabilen Saturn roketleri fırlatma rampası olarak kullanıldı. Uzay gemileri de daha büyüktü; iki ana bölümden, birleştirilmiş komuta ve servis modülü (CSM) [command and service module] ve Ay'a iniş modülünden (LM) [lunar landing module] oluşuyordu. LM aya inildiğinde ayrılmaktaydı ve sadece komuta modülü (CM) [command module] içindeki üç astronotla Dünya'ya geri dönecekti.

İkinci insanlı uçuş görevinde, Aralık 1968'de Apollo 8 astronotları Ay'ın çevresine getirdi. Bundan kısa bir süre önce, Sovyetler Ay'ın çevresine insansız bir uzay gemisi göndermişti. Sonraki iki görevde Ay'a iniş için gerekli kenetlenme manevraları çalışıldı. Sonunda Apollo 11, Temmuz 1969'da Ay'a iniş yaptı.
Ay'a ilk ayak basan insan Neil Armstrong oldu. Arkasından Buzz Aldrin Ay'a ayak bastı.Bu sırada Michael Collins Ay yörüngesinde tur atıyordu. Sonraki beş Apollo görevinde astronotlar Ay'a indi. Sonuncusu Aralık 1972'de gerçekleşti. Bu altı Apollo görevi sırasında, 12 astronot Ay üzerinde yürüdü. Bu görevler sonucunda çok değerli bilimsel verilere ulaşıldı ve Ay'dan 381.7 kilogram (842 Ib) örnek alındı.

Apollo Projesi insanlığın uzay macerasındaki önemli noktalardan biridir. İlk defa Alçak Dünya yörüngesi dışında insanlı bir görev yapıldı ve ilk defa bir insan başka bir astronomik cisme yollandı. İlk defa Apollo 8 ile bir astronomik cismin yörüngesinde insanlı bir uzay aracı tur attı. Apollo 17 ise son Ay yürüyüşü ve Alçak Dünya yörüngesi dışında yürütülen en son insanlı görev olması bakımından önemlidir. Proje sırasında roket ve insanlı uzay aracı teknolojilerinin yanında havacılık, iletişim ve bilgisayar teknolojilerinde de önemli gelişmeler yaşandı. Proje mühendisliğin pek çok alanına ilgi duyulmasını sağladı. Projeye ait eşyalar ve eserler başta Smithsonian Ulusal Havacılık ve Uzay Müzesi olmak üzere Dünya'da çeşitli yerlerde sergilenmektedir.

Skylab, Birleşik Devletler'in bağımsız tek uzay istasyonudur. Saturn IB roketinin üst tarafına eklenen bir çalışma atölyesi olarak 1965 yılında tasarlandı. Dünya'da inşa edilen 69,950 l