Dans l’année qui suit les succès des premiers satellites artificiels, les États-Unis et l’URSS conçoivent des programmes pour envoyer des hommes en orbite. Les deux pays lancent d’abord des chiens et des singes dans l’espace, pour étudier les effets de l’apesanteur sur les êtres vivants.
 

 Programmes VOSTOK et MERCURY .
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L’URSS est la première à réussir : le 12 avril 1961, le cosmonaute Iouri Gagarine fait le tour de la Terre à bord de la capsule Vostok 1 (« Orient »), avant d’atterrir sain et sauf en Sibérie. La mission dure 1 heure 48 minutes. Au cours des deux années qui suivent, cinq autres vols du même programme sont effectués. Le pilote de Vostok 6, Valentina Terechkova, est la première femme dans l’espace. Le 16 juin 1963, elle boucle 48 révolutions autour de la Terre, en 70 heures 41 minutes.

Pendant ce temps, un programme similaire prend tournure dans le camp américain : Mercury. Le 5 mai 1961, Alan Shepard — pilote militaire de formation — devient le premier américain envoyé dans l’espace. À bord de sa capsule Mercury (dénommée Freedom 7), il suit une trajectoire culminant à 187 km d’altitude, le vol suborbital ayant duré 15 minutes. Un vol similaire suit le 21 juillet, effectué par Virgil Grissom ; le 20 février 1962, John Glenn est le premier astronaute en orbite autour de la Terre. Trois autres vols Mercury sont effectués en 1962 et 1963 par Scott Carpenter, Walter Schirra et Gordon Cooper. Ces hommes sont tous à l’origine des membres de l’armée de l’air ou de la marine américaines.
 

 Programmes VOSKHOD et GEMINI  .
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Les chercheurs soviétiques modifient l’engin spatial Vostok afin de recevoir deux ou trois cosmonautes : c’est le programme Voskhod (« Soleil levant »). Le 14 octobre 1964, un équipage composé des cosmonautes Vladimir Komarov, Boris Iegorov et Konstantin Feoktistov accomplit 15 révolutions autour de la Terre à bord de Voskhod 1. Il s’agit de l’unique vol habité de l’année 1964, portant à 455 le cumul d’heures passées dans l’espace par des cosmonautes, tandis que les astronautes ne totalisent que 54 heures dans l’espace. Le 18 mars 1965, les cosmonautes Pavel Beliaïev et Alekseï Leonov partent à bord de Voskhod 2 pour boucler 17 révolutions. Au cours de cette mission, Leonov effectue la première sortie dans l’espace : il flotte librement pendant 12 minutes à l’extérieur du vaisseau spatial, auquel il demeure rattaché par une sorte de « cordon ombilical » de 5 m de long. .
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Du côté américain, le programme Gemini est conçu pour mettre au point la technologie nécessaire à une future mission sur la Lune. En mai 1961, le président américain John F. Kennedy lance le programme Apollo, avec la ferme volonté d’envoyer un homme marcher sur la Lune « avant la fin de la décennie ». Gemini emporte deux astronautes et peut fonctionner pendant une durée suffisamment longue pour mettre en œuvre les techniques de rendez-vous et d’arrimage avec un autre engin spatial. Dix vols Gemini sont réussis entre 1965 et 1966. .
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Au cours du vol de Gemini 4, Edward White effectue lui aussi une sortie dans l’espace, le 3 juin 1965. Utilisant un dispositif de déplacement à réaction, il passe 21 minutes dans l’espace. Gemini 6 et 7 réussissent, le 15 décembre 1965, le premier rendez-vous spatial, s’approchant à quelques dizaines de centimètres l’un de l’autre. Après avoir tourné en orbite pendant une vingtaine d’heures à bord de Gemini 6, l’équipage, constitué de Walter Schirra et Thomas Stafford, revient sur Terre, tandis que Gemini 7 continue de voler pendant plus de 300 heures, avec à son bord Frank Borman et James Lovell Jr. Ce vol de presque 14 jours fournit les informations médicales nécessaires à la préparation des futures missions lunaires Apollo. Il démontre en outre la fiabilité de systèmes de propulsion à hydrogène et oxygène. Les vols suivants, Gemini 10, 11 et 12, permettent de réaliser des arrimages avec un véhicule-cible, constitué d’un étage de fusée préalablement placé en orbite.
 

 Programmes SOÏOUZ et APOLLO   .
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L’année 1967 est tragique pour les deux nations lancées dans la course à l’espace. Le 27 janvier, à cap Kennedy, pendant un exercice d’entraînement au sol, un incendie se déclare dans la capsule Apollo, remplie d’une atmosphère d’oxygène pur, causant la mort des trois astronautes, Virgil Grissom, Edward White et Roger Chaffee. Cette perte tragique introduit un retard de plus d’un an dans le programme Apollo, la conception de l’engin étant revue de manière approfondie. .
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Le 24 avril de la même année, un autre accident mortel frappe le nouveau vaisseau russe conçu pour accueillir trois hommes. Vladimir Komarov, chargé de tester le Soïouz dans l’espace, est tué à son retour sur Terre, à la suite d’une défaillance du système de parachutes. Le programme spatial soviétique est retardé de près de deux ans. .
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Le 11 octobre 1968, après six vols de qualification inhabités, Apollo 7 est lancé par une fusée Saturne 1B : les astronautes Walter Schirra, Walter Cunningham et Don Eisele volent pendant 260 heures autour de la Terre. Le 21 décembre 1968, la mission Apollo 8 part pour un vol de repérage, avec à son bord Franck Borman, James Lovell et William Anders : 10 rotations sont effectuées autour de la Lune. Le vol suivant se déroule du 3 au 14 mars 1969 en orbite terrestre : à bord d’Apollo 9, James McDivitt, David Scott et Russel Schweickart (un civil) testent le module lunaire (LEM). Puis vient Apollo 10, dernier vol préparatoire : du 18 au 26 mai 1969, Thomas Stafford et Eugen Cernan se placent en orbite lunaire à bord du LEM, tandis que John Young pilote le module de commande : c’est l’ultime répétition avant le véritable alunissage, le LEM s’étant approché à moins de 16 km du sol lunaire. Les opérations d’arrimage du module lunaire se déroulent correctement, permettant aux deux astronautes de réintégrer le module de commande, avant que le moteur du module de service ne soit allumé pour se placer sur la trajectoire de retour vers la Terre : le programme Apollo est désormais prêt. .
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Entre-temps, l’URSS lance Zond, un engin spatial inhabité, qui transporte autour de la Lune des caméras et des échantillons biologiques. Soïouz 3 est un succès, le colonel Gueorgui Beregovoï bouclant 60 fois le tour de la Terre fin octobre 1968. En janvier 1969, Soïouz 4 et 5 s’arriment dans l’espace, les cosmonautes Alexis Elisseïev et Evgueni Khrounov en profitent alors pour passer, via l’espace (ils sont revêtus de combinaisons spatiales ressemblant à des scaphandres), de Soïouz 5 à Soïouz 4, piloté par Vladimir Chatalov, qui les ramène sur Terre. Les 11, 12 et 13 octobre 1969, Soïouz 6, 7 et 8, lancés à un jour d’intervalle, effectuent un vol groupé, sans toutefois s’accoster. En juin 1970, Andrian Nikolaïev et Vitali Sevastianov établissent un record de durée de vol : 17 jours, 16 heures et 59 minutes passées à bord de Soïouz 9.
 

L'HOMME MARCHE SUR LA LUNE : .
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Au milieu de l’été 1969, le rêve ancestral est réalisé : fouler le sol lunaire. Apollo 11, lancé le 16 juillet, va devenir un vol spatial historique. Resté aux commandes du vaisseau principal, Michael Collins attend sur son orbite lunaire, tandis que Neil Armstrong et Edwin Aldrin amorcent leur descente vers la Lune, à bord du module lunaire baptisé Eagle. Le 20 juillet 1969, l’alunissage se fait dans la région de la mer de la Tranquillité (Mare Tranquillitatis). Précisément 6 heures et 39 minutes plus tard, Armstrong, dans son encombrante combinaison spatiale, descend l’échelle et pose le pied gauche sur le sol lunaire, à 21 h 56, heure de Houston (soit à 3 h 56 du matin le 21 juillet, heure de Paris).
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Les premiers mots d’Armstrong sont demeurés célèbres : « C’est un petit pas pour l’homme, mais un pas de géant pour l’humanité ».
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Aldrin le rejoint un quart d’heure plus tard, et les deux astronautes passent plus de 2 heures à marcher sur le sol lunaire, sur une distance d’environ 60 m. Ils récoltent 20,7 kg d’échantillons prélevés à la surface lunaire, prennent des photographies et installent un dispositif d’expérience sur le vent solaire, un réflecteur de faisceau laser et un ensemble de dispositifs permettant de déceler une éventuelle activité sismique. Armstrong et Aldrin plantent également sur le sol lunaire le drapeau américain, puis conversent par satellite avec le président Richard Nixon. .
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Des millions de téléspectateurs regardent, dans le monde entier, les images retransmises de la Lune en direct, et les astronautes marcher et courir sous l’effet d’une gravité six fois plus faible que sur Terre. Une fois retournés à l’intérieur du module lunaire, où ils peuvent quitter leurs combinaisons, les deux astronautes se reposent pendant quelques heures avant de décoller à bord de l’étage de remontée du module lunaire LEM, en utilisant la moitié inférieure — stationnée à demeure sur la Lune — comme pas de tir. Une fois arrimé au module de commande (la capsule conique, propulsée par le module de service, de forme cylindrique et terminée par une énorme tuyère), l’étage de remontée est largué après que les deux astronautes venant de la Lune ont rejoint leur coéquipier resté en orbite. Le vol de retour d’Apollo 11 se déroule sans incident : la capsule amerrit le 24 juillet dans l’océan Pacifique, près d’Hawaii. Afin d’éviter tout risque de contamination de l’environnement terrestre, les trois astronautes revêtent des vêtements d’isolement biologique et sont placés en quarantaine (pendant trois semaines) dans des locaux spéciaux.
 

SUITE ET FIN DU PROGRAMME APOLLO : .

 Apollo 12  La mission lunaire suivante débute le 14 novembre 1969. Apollo 12 emmène Charles Conrad, Richard Gordon et Alan Bean. Conrad et Bean se posent au nord des montagnes de Riphaeus (dans la zone appelée océan des Tempêtes), à 180 m seulement de l’endroit où la sonde Surveyor 3 a aluni deux ans plus tôt. Les deux astronautes explorent les environs à deux reprises, y passant à chaque fois près de 4 heures. Ils installent de nouveaux dispositifs expérimentaux, prennent de nouveaux clichés, recueillent 34,1 kg d’échantillons du sol lunaire, et prélèvent des éléments de Surveyor 3. À leur retour, le 24 novembre, les astronautes sont à nouveau placés en situation d’isolement, mais sont libérés dès le 10 décembre. Apollo 12 apporte de nombreuses améliorations par rapport à Apollo 11, en particulier dans la précision de l’alunissage. Les résultats sont si positifs qu’on projette de faire alunir Apollo 13 dans une zone plus accidentée. .
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 Apollo 13  Le 11 avril 1970, Apollo 13 quitte le pas de tir à 13 h 13, heure de Houston. Mais l’équipage, commandé par James Lovell, un astronaute déjà expérimenté, assisté de Fred Haise et John Swigert, ne peut mener à bien sa mission. Le 13 avril, à 21 h 07 — soit après 55 heures, 54 minutes et 53 secondes de vol — le réservoir d’oxygène liquide n° 2, situé dans le module de service d’Odyssey, explose violemment, mettant du même coup fin à tout espoir d’alunissage. Le retour sur Terre est mouvementé, les trois hommes et les contrôleurs au sol devant rivaliser d’ingéniosité pour surmonter les multiples difficultés de la situation : l’équipage se réfugie à bord du module lunaire Aquarius, dont les réserves d’oxygène et d’énergie électrique sont très limitées, et doit utiliser son moteur pour effectuer de délicates manœuvres de correction de trajectoire pour retrouver le chemin de la Terre ; ils retournent dans le module de commande, puis larguent le LEM 84 minutes avant leur amerrissage dans le Pacifique sud, le 17 avril à 12 h  07, au terme d’un périple de près de 143 heures. Une commission d’enquête reconstitue l’incroyable mécanisme à l’origine de l’accident : le vaisseau a décollé avec un réservoir rempli d’oxygène pur, traversé par un réseau de câbles électriques dénudés. La gaine isolante en Téflon de ces câbles ayant accidentellement fondu au cours d’une opération de vidange exécutée une quinzaine de jours avant le tir, la température est montée bien au-delà du maximum admissible, sans qu’aucun instrument n’ait détecté l’anomalie. C’est une simple étincelle qui a provoqué la catastrophe. .
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 Apollo 14 et 15  Apollo 14 atteint l’objectif initialement dévolu à Apollo 13 : il est lancé le 31 janvier 1971, après que des modifications ont été effectuées dans l’engin spatial pour parer aux dysfonctionnements rencontrés par Apollo 13. Le capitaine Shepard, un astronaute expérimenté, et Edgar Mitchell se posent dans la région accidentée de Fra Mauro, Stuart Roosa les attendant dans le module de commande en orbite lunaire. Shepard et Mitchell passent plus de 9 heures à explorer une zone dont on pense qu’elle contient des roches figurant parmi les plus anciennes alors recensées sur la Lune. Ils rapportent 42,9 kg d’échantillons rocheux et installent une station d’expérimentation scientifique automatisée. Les trois astronautes reviennent sur Terre sans incident le 9 février 1971. Apollo 15 est lancé le 26 juillet 1971. Le commandant de bord est David Scott, le pilote du module lunaire, James Irwin, et le pilote du module de commande, Alfred Worden. Scott et Irwin passent 2 jours et 18 heures sur le sol lunaire, au bord de la mer des Pluies (Mare Imbrium), à proximité de la rainure d’Hadley, mesurant 366 m de profondeur, et de la chaîne des Apennins (Montes Apenninus), l’une des formations montagneuses les plus élevées de la Lune. Au cours de leurs 18 heures et 36 minutes d’exploration de la surface lunaire, les deux astronautes parcourent plus de 28,2 km à proximité du mont Hadley, grâce au véhicule lunaire à propulsion électrique, alors utilisé pour la première fois. Ils déploient aussi un ensemble complexe d’instruments scientifiques et recueillent environ 76 kg de roches, parmi lesquelles ce qu’on pense être un morceau cristallin de la croûte lunaire originelle, vieille d’environ 4,6 milliards d’années. Une caméra vidéo laissée sur la Lune filme le départ de Scott et d’Irwin ; avant que l’équipage ne quitte l’orbite lunaire pour son retour vers la Terre, il satellise autour de la Lune un « orbiteur » de 35,6 kg, afin de transmettre des données concernant les champs gravitationnel, magnétique et de haute énergie dans l’environnement lunaire. Lors du voyage de retour, Worden fait une incursion de 16 minutes dans l’espace, alors que le vaisseau Apollo se trouve encore à quelque 315.000 km de la Terre, distance record pour une sortie extra-véhiculaire. Les astronautes d’Apollo 15 amerrissent sains et saufs le 7 août, à environ 530 km au nord de Hawaii : c’est le premier équipage de retour de la Lune à être dispensé de quarantaine. .
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 Apollo 16 et 17  Le 16 avril 1972 commence Apollo 16, avant-dernière mission du programme, avec John Young, Charles Duke et Ken Mattingly. L’objectif de la mission est l’exploration de la région du cratère Descartes. Tandis que Mattingly attend en orbite, Young et Duke passent 20 heures 14 minutes sur la Lune, installant plusieurs expériences qui tirent leur énergie d’une pile à combustible nucléaire, parcourant 26,7 km (ils disposent aussi d’un véhicule lunaire) et recueillant 95,4 kg d’échantillons rocheux. Le programme prend fin avec le vol d’Apollo 17, du 7 au 19 décembre 1972. L’astronaute Eugen Cernan et son compagnon Harrison Schmitt, un géologue civil américain, sont les derniers hommes à marcher sur la Lune : ils y passent 22 heures 05 minutes, parcourant grâce au véhicule lunaire 36 km dans la région des monts Taurus, près du cratère de Littrow, avant de prendre le chemin du retour avec Ronald Evans, resté en orbite.
 

 LA NAVETTE SPATIALE  .
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Dans les années 1970, la mise au point d’un vaisseau spatial réutilisable devient la principale priorité du programme spatial américain. Après dix années de préparation, la première navette spatiale, Columbia, est lancée le 12 avril 1981. Les déconvenues que connaît la navette par la suite, ainsi que la concurrence du programme Ariane conduisent toutefois à reprendre l’utilisation des lanceurs classiques, à usage unique, pour mettre les satellites commerciaux et scientifiques en orbite. .
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Deux autres projets de véhicule spatial réutilisable sont envisagés pour concurrencer la navette américaine : la navette russe Bourane qui effectue un vol en mode automatique le 15 novembre 1988, et l’avion spatial européen Hermes dont le programme est abandonné en 1993. .
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Ainsi, de 1981 à 2003, les vaisseaux russes Soïouz et les navettes spatiales américaines constituent les seules voies d’accès à l’espace pour les hommes. Mais, en 2003, la Chine fait son entrée dans la conquête spatiale en lançant avec succès son premier vaisseau spatial habité.
 

 LE PROGRAMME SPATIAL CHINOIS  .
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Le 15 octobre 2003, la Chine devient le troisième pays au monde — après l’ex-URSS et les États-Unis — à envoyer un homme dans l’espace, dans le cadre d’un programme national. À bord du vaisseau Shenzhou 5 (Vaisseau divin), le colonel de l’armée de l’air Yang Liwei (38 ans) effectue 14 révolutions autour du globe avant de revenir sur Terre, devenant ainsi le premier spationaute chinois (ou taïkonaute). Après le succès de ce premier vol habité, la Chine est en passe de devenir un concurrent sur le marché des satellites, voire dans le domaine de la future conquête de la Lune.