Tiếp nối thành công của vệ tinh Sputnik-1, ngày 3-11-1957, chú chó Laika đã được đưa vào quỹ đạo Trái đất bằng vệ tinh Sputnik-2. Đây là lần đầu một sinh vật sống bay vào vũ trụ. Ngày 19-8-1960, hai chú chó Belka và Strelka tiếp tục thực hiện chuyến bay vào quỹ đạo trên con tàu Sputnik-5, với 17 vòng quanh quỹ đạo Trái đất trong 25 giờ đồng hồ, rồi trở về Trái đất an toàn.
Từ đầu năm 1959, Liên Xô đã khởi động chương trình chinh phục Mặt trăng mang tên Luna, bằng việc phóng tàu Luna-1 lên quỹ đạo. Chương trình Luna kéo dài 18 năm (1958 - 1976), thực hiện vô số sứ mệnh thăm dò Mặt trăng. Trong đó, tàu Luna-3 (1959) đã làm được một việc vô cùng quan trọng là chụp ảnh được phần khuất của Mặt trăng, đưa Liên Xô trở thành quốc gia đầu tiên thực hiện việc quan trọng này.
Lịch sử của ngành hàng không vũ trụ Liên Xô chứng kiến bước ngoặt trọng đại khi vào lúc 9 giờ 7 phút ngày 12-4-1961, tàu vũ trụ Vostok-1 (Phương Đông-1) cất cánh từ sân bay vũ trụ Baikonur mang theo nhà du hành vũ trụ Yuri Gagarin đã bay vào không gian. Liên lạc về Trái đất, Gagarin đã nói một câu bất hủ: “Từ vũ trụ, tôi không còn nhìn thấy biên giới các quốc gia. Trái đất xanh một mầu xanh vĩnh cửu”. Sau khi bay một vòng quanh Trái đất, tàu vũ trụ Phương Đông-1 hạ cánh an toàn xuống một cánh đồng bên sông Volga thuộc Liên Xô. Chuyến bay đầu tiên của con người vào vũ trụ đã kết thúc thắng lợi.
Tiếp theo chuyến bay thế kỷ của Gagarin, bốn tháng sau, Liên Xô tiếp tục phóng thành công tàu vũ trụ Vostok-2 do Gherman Titov điều khiển. Sau 25 giờ 11 phút, tàu vũ trụ Vostok-2 đã bay được 17 vòng quanh Trái đất, với tổng quãng đường bay dài hơn 700 nghìn cây số. Bằng sự kiện này, nhà du hành vũ trụ Titov đã chứng minh rằng con người có thể sống và làm việc bình thường và lâu dài trong tình trạng không trọng lượng trong vũ trụ.
Và thành công liên tiếp đến với ngành hàng không vũ trụ Liên Xô. Ngày 16-6-1963, trong một sứ mệnh chung, tàu vũ trụ Vostok-5 chở phi hành gia Valery Bykovsky và Vostok-6 chở nữ phi hành gia Valentina Tereshkova được phóng lên vũ trụ từ sân bay Baikonua. Tàu Vostok-6 hoạt động trên quỹ đạo Trái đất trong thời gian gần 3 ngày (70 giờ 50 phút), bay 48 vòng quanh Trái đất. Số lần bay quanh Trái đất của bà nhiều hơn tổng số lần của các nhà du hành vũ trụ Mỹ tính đến thời điểm đó. Valentina Tereshkova được xem là nhà nữ du hành vũ trụ đầu tiên trong lịch sử thám hiểm vũ trụ của loài người. Công việc của bà là ghi lại nhật ký chuyến bay và chụp ảnh đường chân trời, sau đó được dùng để phân biệt các tầng khí trong khí quyển. Tereshkova trên tàu Vostok-6 có lúc cách Vostok-5 chỉ 5 km, họ liên lạc với nhau bằng sóng radio. Đây cũng là lần đầu tiên các tàu vũ trụ liên lạc với nhau ngoài không gian.
Năm 1971, thiết bị thăm dò của tàu Venera-7 do Liên Xô chế tạo đã hạ cánh thành công xuống sao Kim. Trên thực tế, đó là lần đầu loài người thả thiết bị thăm dò xuống bề mặt một hành tinh khác. Cùng năm, Liên Xô cho hạ cánh tàu thăm dò Mars-3 lên sao Hỏa. Sau đó tàu Mars-3 truyền dữ liệu về Trái đất. Quá trình truyền tải này kéo dài 14 giây. Ngoài ra, tàu cũng gửi về Trái đất bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt sao Hỏa.
Liên Xô là quốc gia hợp tác rất chặt chẽ với Việt Nam trong ngành hàng không vũ trụ, mà chương trình Interkosmos là một thí dụ, ra đời trong thập niên 70 của thế kỷ trước với mục đích giúp các quốc gia có quan hệ ngoại giao tốt với Liên Xô tham gia những chương trình không gian có người lái cũng như không người lái. Khi Liên Xô chuẩn bị đào tạo một nhóm các nhà du hành vũ trụ quốc tế từ các nước xã hội chủ nghĩa theo chương trình Interkosmos, nhà du hành Titov đã đề nghị Việt Nam tham gia và đề xuất cử phi công Phạm Tuân theo khóa huấn luyện của chương trình này. Năm 1980, Phạm Tuân trở thành người Việt Nam và châu Á đầu tiên bay vào vũ trụ cùng nhà du hành vũ trụ Liên Xô Viktor Gorbatko. Chuyến bay lịch sử bắt đầu vào ngày 23-7-1980 từ sân bay vũ trụ Baikonur trên tàu Soyuz-37. Họ thực hiện nhiệm vụ trên trạm không gian Salyut-6 cùng hai nhà du hành vũ trụ Liên Xô khác. Sau đó, họ trở về Trái đất ngày 31-7-1980.
Trong 8 ngày bay trong vũ trụ, hai nhà du hành vũ trụ Gorbatko và Phạm Tuân đã thực hiện tổng cộng 142 vòng quanh quỹ đạo Trái đất. Hai nhà du hành đã tiến hành 30 cuộc thí nghiệm viễn thám hàng không, đo đạc và xây dựng bản đồ độ ẩm đất vùng sông Hồng, chuẩn bị xây dựng trạm mặt đất Hoa Sen phục vụ thông tin liên lạc qua hệ Intersputnik. Trong tình trạng không trọng lực, hai nhà du hành vũ trụ cũng đã tiến hành các thí nghiệm về hòa tan các mẫu khoáng chất, các thí nghiệm cây trồng trên bèo hoa dâu… Ngoài ra, nhà du hành vũ trụ Phạm Tuân còn tiến hành chụp ảnh Việt Nam từ quỹ đạo Trái đất.
Với thành tích này, nhà du hành vũ trụ Phạm Tuân đã được trao tặng Huân chương Hồ Chí Minh và danh hiệu Anh hùng Lao động Việt Nam. Ông cũng vinh dự trở thành một trong những người nước ngoài đầu tiên được trao tặng danh hiệu Anh hùng Liên Xô, Huân chương Lê-nin.
Ngoài ra, nhắc đến thành tựu của ngành hàng không vũ trụ của Liên Xô thì không thể không nhắc tới Trạm vũ trụ Mir (Trạm vũ trụ Hòa bình). Suốt 15 năm bay vòng quanh Trái đất (1986 - 2001), Trạm vũ trụ Mir đã đón nhận 104 lượt phi hành gia thực hiện gần 23.000 thí nghiệm khoa học.
