Według National Aeronautics and Space Administration astronauci są wysyłani w kosmos, aby operować Międzynarodową Stacją Kosmiczną, pomagać w rozwijaniu komercyjnych lotów kosmicznych, badać możliwości ludzkiej eksploracji kosmosu, rozwijać nowe technologie i prowadzić badania w szeroki zakres dziedzin naukowych. Wiele aspektów badań naukowych Ziemi i reszty wszechświata jest łatwiejszych do przeprowadzenia z kosmosu.
Niektóre z konkretnych obszarów badań astronautów odkrywających w kosmosie obejmują atmosferę Ziemi i zmiany klimatu, pochodzenie układu słonecznego i wszechświata, ziemskie pole magnetyczne, skład planet i asteroid, ciemną materię, czarne dziury i inne galaktyki. Astronauci pomagają również w opracowywaniu innowacyjnych technologii w obszarach takich jak satelity, skafandry kosmiczne, statki kosmiczne, robotyka i wiele innych dziedzin najnowocześniejszych badań.
Astronauci na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej korzystają ze specjalnego środowiska o niskiej grawitacji, aby prowadzić badania nad opracowywaniem szczepionek, usuwanie skutków klęsk żywiołowych i hodowlą, technologia oczyszczania wody, neurochirurgiczna technologia medyczna, ultradźwięki i zdalna telemedycyna. W przyszłości astronauci opracowują technologię i techniki, by wysyłać ładunki z Ziemi do kosmosu iz powrotem, budować statki kosmiczne bardziej przyjazne dla środowiska, wylądować na asteroidzie i ostatecznie wylądować bezpiecznie na Marsie.
