美国太空总署於1958年成立（苏联史普尼克卫星发射一年后），率先找寻有能力进入未知外太空的试飞员。获选驾驶水星太空舱的七人都明白此行要冒著生命危险，平均每週就有一位试飞员死於空难，但是搭乘火箭的危险对他们不足为惧。但第一位上太空的美国人仍要面对许多未解的问题：人类在太空中能否吞嚥食物或饮水？他会发疯吗？他会死於太空辐射吗？面对苏联的激烈竞争，他们必须抢先解开这些重要问题。甘迺迪总统放话要美国在十年内登陆月球，早期的每一项任务都肩负重责大任，它们要逐步将人类推向登月的最终目标。

太空总署深知为了登陆月球并顺利返航，他们必须掌握在太空中连结两艘太空船的技术。为了实践这个目标，太空总署展开名为双子星的新计画，首度以一艘太空船送两名太空人上太空。双子星计划旨在实现一连串先进太空旅行的壮举，从长时间太空飞行到太空漫步。苏联太空人阿列谢李欧诺夫在1965年完成 人类首次太空漫步，几个月后，艾德怀特成为第一位在太空漫步的美国太空人。但美苏两国都还没能达成两艘太空船会合衔接的挑战。在一次大胆复杂的任务中，太空总署计画让双子星6号飞行数千哩，然后追上环绕地球轨道的双子星7号，进行令人屏息的太空会合。月球就近在眼前。

1968年夏季，双子星计画已经达成目标，阿波罗计画也已全力进行中，太空总署将阿波罗8号的任务改为首次载人月球飞行。指挥官法兰克波曼、吉姆赖佛、威廉安德斯成为第一批脱离地球引力，看到月球另一面的人类。阿波罗8号太空人飞行的距离超越所有前人，这趟登月顺利返航之旅总计飞行25万哩。1969年7月16日，阿波罗11号太空船升空进行登月任务，载著阿姆斯壮、艾德林、考林斯和全球的祝福。世人引颈期盼机员的登月结果：登月舱是否会沈入尘土中？机员会遭到「月球细菌」攻击吗？完成任务后，他们能从月球表面升空吗？四天后，太空人登陆月球。这是太空总署最得意的瞬间，也是世界史上的最光荣时刻。

20年来，太空总署的太空舱顶多只能载运3人，都是由一群专属男性中挑选，这群人几乎都是试飞员。开发出可重复使用的太空梭，让太空旅行产生革命性改变。这是史上头一遭有6,7位太空人同时上太空。太空梭被形容为子弹上的蝴蝶，首航由约翰杨恩驾驶，他曾在双子星计画首航时，与盖斯葛瑞森一起上太空。太空总署载人太空计画的先驱带领我们迈入太空时代的现代纪元。但太空旅行依旧危险，1986年挑战者号太空梭惨剧，还有2003年哥伦比亚号太空梭意外在在证明了这一点。但国际太空站的发展—这也是人类至今最大胆的太空硬体大合作—意味著太空梭仍有其存在的必要性。

透支预算数十亿美元，进度落后10年后，太空总署的哈伯太空望远镜终於由发现号太空梭载运升空。哈伯太空望远镜是历来最复杂的仪器之一，也是一连串无人太空任务中的最新任务。哈伯太空望远镜原计能改变我们对宇宙的了解，但升空后却毫无动静。太空总署遇上大麻烦。这个环绕地球轨道的太空望远镜有块主要镜片因人为失误而故障，使得人类探索外太空的全能眼睛成了近视眼。太空总署决定派出奋进号太空梭前往修理，这项任务需要进行连续几个月的密集训练，并展开历来最漫长危险、也最复杂的多趟太空漫步。这是太空总署继阿波罗计画以来，最受到外界关注的一项任务。这项计画重新引发大眾的想像力，让人们继阿波罗计划的登月壮举后，再次关注太空的英勇事蹟。人类重拾探索发掘的自然渴望，而太空总署则打算再次送人登上月球、火星，甚至更远的地方。