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  自1946年以來國家航空諮詢委員會 (NACA) 一直在實驗超音速X-1試驗機. 1950年代初,面臨為國際地球物理年 (1957–58) 發射衛星的巨大挑戰,美國 Vanguard計劃對此付出很多努力,1957年10月4日蘇聯發射世界上第一顆人造衛星 ("斯普特尼克1號")之後,美國的注意力轉向剛剛起步的太空作戰 。美國國會對國家安全和技術領導的威脅(被稱作"斯普特尼克危機")感到震驚,並敦促採取迅速行動, 德懷特·艾森豪威爾總統及其顧問團提出更加深思熟慮的措施。 1958年12月,NACA組織了一個由 Guyford Stever領導的“空間特殊技術委員會”。  當時這個新的聯邦機構將進行的是所有非軍事太空活動,但是在1958 年2月成立的國防高等研究計劃署(APRA)從事的卻是開發軍事用途的空間技術。  1958年7月29日艾森豪威爾總統簽署了美國航天法, 建立了 NASA。 當它於1958年10月1日開始運作時,NASA完整地吸收了43歲的NACA及其8,000名員工,年度預算為1億美元,三個主要研究實驗室(蘭利研究中心,艾姆斯航空實驗室和劉易斯飛行推進實驗室)和兩個小型測試設施。 1959年艾森豪威爾批准了 陸軍彈道導彈局和美國海軍研究實驗室 已經成為NASA的一部分,NASA和蘇聯在進入太空競賽時的重要貢獻者沃納·馮·布勞恩,也是德國火箭技術的領導者,他借鑑了美國科學家羅伯特·戈達德的早期作品,並在陸軍彈道導彈機構(ABMA)工作。 美國空軍的早期研究 和很多ARPA的早期太空計劃也被轉移到NASA。 1958年NASA 得到了加利福尼亞理工學院運營的承包設施噴氣推進實驗室的控制權。

  蘇聯於1957年10月4日成功地將第一枚人造衛星斯普特尼克1號送入太空之後,美國的注意力轉移到自己正在起步的太空工業發展。國會受到此一史潑尼克危機的震撼,要求政府立即採取行動,但艾森豪總統與其顧問團則認為應該更審慎地考量,在數個月的商議後,認為有必要成立一個全新的政府機構,以領導所有非軍事太空行動。  美國的第一顆環地球人造衛星「探險者1號」在1958年2月1日發射升空。同年7月29日,艾森豪總統簽署了NASA的成立,1958年10月1日NASA正式成立。NASA以擁有46年曆史的研究機構國家航空諮詢委員會(NACA)的四個主要實驗機構與其中80名成員改組而成。由在戰後移民至美國的前德國火箭專家沃納·馮·布勞恩所領導的德國火箭計劃,對於美國進入太空競賽領域有著重大的貢獻,被譽為「美國太空計劃之父」。和美國海軍研究實驗室的一部分也整合到NASA的組織裡。

  原計劃中,在水星計劃和雙子星座計劃結束之後的阿波羅計劃啟動,以在太空中做“有意思”的工作,甚至把宇航員送入月球軌道(並未計劃登陸月球)。肯尼迪總統在1961年5月25日的演說中聲稱美國應該在1970年以前“把一個宇航員送到月球上並把他安全帶回來”使得阿波羅計劃被迅速調整。阿波羅計劃也就變成了載人登月計劃。雙子星座計劃很快變成了為複雜得多了的阿波羅計劃提供輔助航天器技術的任務。  包括阿波羅1號中美國第一次有宇航員犧牲的事件,阿波羅8號首次航天器環繞月球的壯舉在內,8年的初期準備之後,阿波羅計劃為阿波羅11號派遣尼爾·阿姆斯壯和巴茲·奧爾德林於1969年7月20日登月並於7月24日返回做好了準備。在踏出登月艙之後,阿姆斯壯說道:“這是一個人的一小步,也是全人類的一大步。”到1972年為止,共有12個宇航員登月成功。  美國太空總署贏得了登月競賽,但在某種意義上失去了方向,至少失去了以保持保證國會批准高額預算的來自公眾的關注和興趣。約翰遜總統下臺之後,美國太空總署失去了其主要的政治支援,火箭科學家沃納·馮·布勞恩被派到華盛頓遊說政客。作為後續計劃,建立宇宙空間站,建立月球基地,並在1990年前由宇航員登陸火星的想法被提出,但是土星火箭和阿波羅計劃所使用的裝置卻無法支援這些目標。阿波羅13號氧氣罐爆炸近乎失事而差點損失全部3名宇航員的性命,引起了全國上下的注意和關切。儘管阿波羅計劃一直安排到阿波羅20號,阿波羅17號為她的母計劃畫上了句號。這個計劃因為預算緊縮(部分因為越南戰爭的高額支出),和建造可重複使用航天器的計劃而結束。

  美國司法部調查顯示在1996至2015年間一家挪威外包公司「Sapa Extrusions」(後改名Hydro Extrusion)長達20年零件造假,提供劣質產品給NASA而居然品管部門也都驗收通過,造成巨大隱患,實質上也導致兩次金牛座(Taurus XL)小型運載火箭發射失敗,軌道碳觀測衛星(OCO)及“榮耀”科研衛星(Glory)毀滅,導致損失7億美元之巨,最終總署零件測試實驗室主管入獄三年。  該公司偽造測試結果,為火箭整流罩外殼部分提供殘次鋁材。兩次發射中火箭要無法脫離整流罩和無法分離載荷。火箭穿過大氣層後,整流罩會接收指令自動脫落,隨後分離載荷入軌若無法分離則等於攜帶額外重量耗損燃料,無法進入高度,衛星要放出時也被擋住無法放出。2015年Sapa Extrusions承認自己偽造測試結果,然而拒不承擔火箭失敗責任直到對該公司鋁件進行獨立測試,發現強度不達標,才定罪,但此現象已經隱瞞20年之久未被發現其偷工減料,顯見太空總署管理嚴謹度鬆散混亂。

  包括馬克·韋德(Mark Wade)在內的一些評論家指出,NASA在載人飛行的計劃中陷入了停滯不前的狀況。美國政府花費數十億美元完成的阿波羅計劃以及土星計劃中使用的航天器自1970年起就不再被使用。雖然阿波羅計劃結束之後NASA的財政預算被大幅縮減,但機構內的官僚作風卻沒有改變,導致嚴重的鋪張浪費,而且器械也沒有保持在最佳狀態。  NASA目前不考慮建造新的替補太空梭,而是轉而研發新的奧賴恩計劃。NASA的載人航天計劃依靠的仍是太空梭,但當2011年機隊退役之後,美國已經不能將人送入宇宙,而需要仰賴俄國。太空梭擔任的任務包括為在建的國際空間站運送主要的建築構件和材料。在1986年和2003年的兩次重大事故中,已有兩架太空梭被毀,導致14位航天員死亡。其中,1986年失事的挑戰者號原本是一架做為測試用途的太空梭。而2003年的哥倫比亞號則造成美國國內對太空梭未來的信心大減。因而導致了外包廠商的機會,目前為止SpaceX是一個未來的機會,將能讓美國人重新坐上美國製造的太空船,回到近地軌道。  NASA計劃出現的問題導致了國際空間站計劃的停滯不前。按照原計劃,國際空間站在2005年應達到七名宇航員的配置,但現在卻只有最基本的兩名,以致很多計劃中的研究專案被推遲。其他在國際空間站的專案上投了巨資(比如歐洲空間局)的國家因此擔心國際空間站會像太空實驗室一樣以失敗告終。同時,歐洲國家和日本對國際空間站的貢獻也已經落後於時間表。  2004年,美國政府提出了代替宇宙飛船的機組探測飛行器計劃,以允許航天局再次將宇航員送至月球。此計劃後來演變為後來的獵戶座飛船計劃。  預計將於2021年,NASA跟加洲科技公司合作研發的「空中計程車」(SkyTran)將會正式投入服務,屆時冀望可紓援城市交通過於擠塞的問題。
美國國家航空航天局(英語: National Aeronautics and Space Administration,縮寫為英語:NASA,)是美國聯邦政府的一個獨立機構,負責制定、實施美國的民用太空計劃、與開展航空科學暨太空科學的研究。1958年7月29日,美國總統艾森豪威爾簽署了《美國國家航空暨太空法案》,創立了NASA,取代了其前身美國國家航空諮詢委員會(NACA),於1958年10月開始運作。自此,美國國家航空暨太空總署負責了美國的太空探索,例如登月的阿波羅計劃,太空實驗室,以及隨後的太空梭。自2006年2月,美國國家航空航天局的願景是“開拓未來的太空探索,科學發現及航空研究”。美國國家航空航天局的使命是“理解並保護我們依賴生存的行星;探索宇宙,找到地球外的生命;啟示我們的下一代去探索宇宙”。在太空計劃之外,美國國家航空航天局還進行長期的民用以及軍用航空航天研究。