Según la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, los astronautas son enviados al espacio para operar la Estación Espacial Internacional, ayudar a desarrollar el vuelo espacial comercial, investigar las posibilidades de exploración humana del espacio profundo, desarrollar nuevas tecnologías y realizar investigaciones en un amplia gama de campos científicos. Muchos aspectos de los estudios científicos de la Tierra y el resto del universo son más fáciles de realizar desde el espacio.
Algunas de las áreas específicas de estudio que los astronautas exploran en el espacio incluyen la atmósfera y el cambio climático de la Tierra, los orígenes del sistema solar y el universo, el campo magnético de la Tierra, la composición de los planetas y asteroides, la materia oscura, los agujeros negros y otras galaxias. Los astronautas también ayudan en el desarrollo de tecnología innovadora en áreas como satélites, trajes espaciales, naves espaciales, robótica y muchos otros campos de investigación de vanguardia.
Los astronautas a bordo de la Estación Espacial Internacional utilizan el entorno especial de baja gravedad para realizar investigaciones sobre desarrollo de vacunas, alivio de desastres y agricultura, tecnología de purificación de agua, tecnología médica neuroquirúrgica, ultrasonido y telemedicina remota. Para el futuro, los astronautas están diseñando tecnología y técnicas para transportar carga desde la Tierra al espacio y hacia atrás, para construir naves espaciales más amigables con el medio ambiente, para aterrizar a una persona en un asteroide y, finalmente, para aterrizar a las personas de manera segura en Marte.
