Czujniki kosmiczne przenoszą instrumenty w przestrzeń kosmiczną w celu wykonania pomiarów, których nie można dokonać na Ziemi. Temperatura, widmo, pola magnetyczne i promieniowanie zawierają tylko kilka rodzajów mierzonych zjawisk. Sonda kosmiczna jedzie na szczycie rakiety, a następnie oddziela i ustawia kurs na podstawie instrukcji od operatorów na Ziemi i wstępnie zaprogramowanych instrukcji na pokładzie. Po przybyciu instrumenty zaczynają robić pomiary i przesyłają je z powrotem na Ziemię.
Sondy kosmiczne zwykle zawierają pakiet instrumentów oparty na misji, sprzęt komunikacyjny do przesyłania danych i system naprowadzania. Pokładowe zasilanie pochodzi z baterii lub ogniw paliwowych w przypadku krótkich misji, paneli słonecznych do badania wewnętrznych planet lub małego reaktora jądrowego do podróży na zewnętrzne planety. Po uruchomieniu sondy kosmiczne docierają do miejsca docelowego we własnym tempie. W niektórych przypadkach grawitacyjna proca może przyspieszyć sondę, wykorzystując siłę przyciągania innego ciała, na przykład księżyca, aby przyciągnąć sondę do celu.
Po przybyciu sondy kosmiczne mogą latać według miejsca przeznaczenia, dokonując obserwacji podczas podróży, wchodząc na orbitę lub schodząc na powierzchnię. Czasami sonda krąży przez pewien okres czasu, a następnie, gdy jego misja się kończy, spada na planetę, przekazując dane, dopóki nie zostanie zniszczona.
Ponieważ są bezzałogowe, sondy kosmiczne mają pewne rzeczywiste zalety. Mogą mierzyć dane w bardzo wrogich środowiskach, takich jak gorąca powierzchnia Wenus lub jeziora metanu na Tytanie, największym księżycu Saturna. Mogą odbywać bardzo długie podróże bez krytycznych zasobów podtrzymujących życie, takich jak tlen, woda i żywność.
Wczesne sondy kosmiczne uruchomione w latach 50. XX wieku dokonały pomiarów wokół Ziemi i Księżyca. We wczesnych latach sześćdziesiątych sondy kosmiczne badały Wenus i Mars, dając obserwatorom Ziemi pierwsze prawdziwe dane o tych planetach. Sondy kosmiczne na duże planety zewnętrzne, wystrzelone w latach 70., dokonały wielu znaczących odkryć. Voyager 1, uruchomiony w 1977 roku, po raz pierwszy zbadał Jowisza i Saturna, a następnie został poprowadzony w celu zbadania głębokiej przestrzeni kosmicznej. Nadal przesyła dane podczas podróży poza Układ Słoneczny. W latach osiemdziesiątych nowe sondy kosmiczne okrążyły zewnętrzne planety i ich księżyce w celu rozszerzonego badania, wysyłając tysiące zdjęć wraz z innymi fizycznymi danymi do analizy.
