A Nemzeti Légügyi és Űrkutatási Hivatalt (National Aeronautics and Space Administration, NASA) Dwight Eisenhower elnök 1958. július 29-én kelt rendeletére állították fel a földi légkör, a Földet környező térség és a világűr tudományos vizsgálatára, légiközlekedési eszközök és űreszközök kifejlesztésére, a kozmosz távlati hasznosításának tanulmányozására, az ezzel kapcsolatos tudományos, gyártási és adminisztratív teendők összehangolására.

A NASA megalapításakor Washington lépéshátrányban volt Moszkvával szemben, hiszen 1957-ben a Szovjetunió lőtte fel az első mesterséges holdat (ezt az USA 1958 januárjában tette meg), majd 1961-ben feljuttatta az első embert is a világűrbe (az első amerikai űrhajós, John Glenn 1962-ben repülte körül a Földet a Mercury-program keretében). A NASA szakemberei ezért kezdetben a világűrkutatás olyan területeire összpontosítottak, amelyeken még volt esélyük az elsőség megszerzésére. Ez sikerült is: az Apolló-program során 1969-ben első ízben amerikai űrhajós jutott el a Holdra.

Az Apolló-program keretében került sor 1975-ben az első közös amerikai-szovjet űrrepülésre az Apolló-Szojuz párossal. A holdprogramból "megmaradt" űreszközökből építkezve a NASA elkészítette és felbocsátotta 1973-ban a Skylab űrállomást, amelyen háromszor végeztek amerikai űrhajósok kutatásokat, de az állomás 1979-ben technikai okok miatt megsemmisült. A Naprendszer bolygóinak megismerését célozta az 1972-ben elindított Pioneer-10 űrszonda, amelynek első ember készítette űreszközként sikerült eljutnia a külső bolygókig és elhagynia a Naprendszert 1983-ban.

Jelentős NASA-vállalkozás volt a többször is bevethető űrrepülőgépek kifejlesztése, ami új fejezetet nyitott az űrhajózás történetében. 1981 óta 2011-ig, a Space Shuttle-program leállításáig az űrrepülőgépek több mint száz repülést hajtottak végre. 1990-es évektől már folyamatos amerikai-orosz űregyüttműködés keretében a Mir orosz űrállomás fedélzetén is dolgoztak amerikai űrhajósok, a Nemzetközi Űrállomás (ISS) kiépítésével pedig 2000-től folyamatos a jelenlétük az űrben. A NASA szervezetének az induláskor, az űr meghódításáért folyó verseny hajnalán mindössze négy laboratóriuma és mintegy nyolcvan alkalmazottja volt. Jelenleg a NASA-nak 18 ezer alkalmazottja van, 2014. évi költségvetése pedig 17,7 milliárd dollárra rúg.

A NASA fokozatosan olvasztotta magába szerte az országban azokat a nagy intézményeket, amelyek a ma működtetett tíz nagy űrközpontból álló hálózat alapjául szolgálnak. A NASA számos objektuma és intézménye vált világhírűvé. A floridai Cape Canaveralban levő Kennedy Űrközpontból indítják az űrrepülőgépeket, űrhajókat, űrállomásokat, s itt folyik sorozatban a hordozórakéták összeszerelése. A marylandi Goddard Űrközpontban végzik a különböző rendeltetésű űreszközök pályaellenőrzését, innen felügyelik a NASCOM-ot, a NASA globális távközlési hálózatát.

A kaliforniai Edwards légitámaszponton, az Egyesült Államok egyik legnagyobb repülőkísérleti telepén kapott szállást a Dryden Repülési Kutatóközpont, amely az űreszközök repülési tulajdonságait, az űrbiológia kérdéseit tanulmányozza. Az ugyancsak kaliforniai pasadenai laboratórium a Hold- és bolygókutató űrszondák bázisa, a nagytávolságú pályaellenőrzés és kapcsolattartás központja, s innen irányítják az idegen égitesteken végzett műveleteket is. A texasi Houston repülésirányító űrközpontjában (Johnson Űrközpont) űrhajósképző központ is működik.