De acordo com a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço, os astronautas são enviados ao espaço para operar a Estação Espacial Internacional, ajudar a desenvolver voos espaciais comerciais, investigar as possibilidades de exploração humana do espaço profundo, desenvolver novas tecnologias e conduzir pesquisas em um ampla gama de campos científicos. Muitos aspectos dos estudos científicos da Terra e do resto do universo são mais fáceis de conduzir do espaço.
Algumas das áreas específicas de estudo que os astronautas exploram no espaço incluem a atmosfera da Terra e as mudanças climáticas, as origens do sistema solar e do universo, o campo magnético da Terra, a composição dos planetas e asteróides, matéria escura, buracos negros e outras galáxias. Os astronautas também ajudam no desenvolvimento de tecnologia inovadora em áreas como satélites, trajes espaciais, espaçonaves, robótica e muitos outros campos de pesquisa de ponta.
Os astronautas a bordo da Estação Espacial Internacional usam o ambiente especial de baixa gravidade para conduzir pesquisas no desenvolvimento de vacinas, alívio de desastres e agricultura, tecnologia de purificação de água, tecnologia médica neurocirúrgica, ultrassom e telemedicina remota. Para o futuro, os astronautas estão desenvolvendo tecnologia e técnicas para enviar cargas da Terra para o espaço e vice-versa, para construir espaçonaves mais ecologicamente corretas, para pousar uma pessoa em um asteróide e, eventualmente, pousar pessoas com segurança em Marte.
