Крупные успехи получены в изучении Венеры. Наземные наблюдения планеты велись регулярно, но основными характеристики её атмосферы, поверхности и облачного слоя оставались неизвестными. С появлением космических аппаратов открылись новые возможности: АМС «Венера-4» (1967) впервые провела прямые исследования атмосферы планеты (создана модель атмосферы), «Венера-5» и «Венера-6» (1969) вновь произвели зондирование венерианской атмосферы, что позволило уточнить её физико-химические характеристики. В 1970 «Венера-7» совершила первую мягкую посадку на планету и передала информацию с её поверхности. В эксперименте на «Венере-8», опустившейся на освещенной Солнцем стороне, впервые была решена задача исследования венерианского грунта в районе посадки, определения физических характеристик поверхностного слоя и распределения освещённости по высоте. С помощью АМС «Венера-9» и «Венера-10» получены первые телевизионные изображения поверхности и выведены первые искусств. спутники Венеры. Интенсивные исследования Венеры, Марса и Луны заложили основы новой науки — сравнительной планетологии.

  Советские учёные провели исследования околоземного космического пространства многими ИСЗ серии «Космос» (запускаемыми с 16 марта 1962), при помощи космической системы «Электрон» (1964), тяжёлых спутников серии «Протон» (1965—68) и высокоапогейных спутников «Прогноз» (с 1972). Одной из задач, которые возлагались на первые спутники серии «Космос», являлось изучение космического пространства с точки зрения радиационной опасности для полётов человека. На основании проведённых измерений потоков заряженных частиц подробно изучена трасса полётов космических кораблей и построены радиационные карты для различных высот. Выполнен цикл исследований ионосферы, получены данные об ионной и электронной концентрации, температуре ионов и электронов. Эти данные имели большое значение для изучения свойств ионосферной плазмы и вопросов связи между космическими кораблями. В течение длительного времени ведётся изучение галактических и солнечных космических лучей, их энергии и других параметров в окрестности Земли. Проводятся исследования инфракрасного и ультрафиолетового излучения Земли, необходимые для решения ряда геофизических вопросов, а также для отработки систем ориентации спутников. Осуществлен ряд запусков по программе мировой магнитной съёмки. Комплекс космических и геофизических исследований, выполненных с применением средств ракетно-космической техники, вызвал интенсивное развитие нового научного направления — физики солнечно-земных связей, занимающейся изучением механизмов воздействия Солнца на процессы в околоземном космическом пространстве, атмосфере и биосфере Земли.

  В середине 60-х гг. начата разработка многоместных пилотируемых космических кораблей-спутников «Союз», предназначенных для маневрирования, сближения и стыковки на орбите ИСЗ. С 1967 на орбиты выведено 23 корабля «Союз», в том числе 21 с космонавтами. Новый этап в развитии космонавтики начался с 19 апреля 1971, после запуска первой тяжёлой орбитальной станции «Салют». Их создание и эксплуатация позволяют проводить длительные эксперименты в космосе с участием специалистов и решать важные народно-хозяйственные и научные задачи. На 1 января 1977 полёты совершили 38 советских космонавтов на 30 кораблях (один полёт суборбитальный) и 4 орбитальных станциях типа «Салют». Многие космонавты совершили по два полёта, а В. А. Шаталов и А. С. Елисеев — по три.

  Для выполнения советской космической программы создано несколько типов 2-, 3- и 4-ступенчатых РН различной грузоподъёмности (от нескольких сотен кг до десятков т на околоземной орбите): «Восток» (эксплуатируется с 1960), «Космос» (с 1962), «Протон» (с 1965) и др., запускаемых с нескольких космодромов Советского Союза. Эти РН эксплуатируются в различных модификациях.

  Для сообщения РН космических скоростей разработаны мощные ЖРД с уменьшенными габаритами. Их создание стало возможным благодаря реализации в камерах сгорания повышенных давлений за счёт использования принципиальных схем, практически исключающих потери на привод турбонасосных агрегатов. Разработка РН и ЖРД способствовала развитию термо-, гидро- и газодинамики, теории теплопередачи и прочности, металлургии высокопрочных и жаростойких материалов, химии топлив, измерит. техники, вакуумной и плазменной технологии .

  Требования космической программы обусловили необходимость конструирования комплексных автоматический устройств при жёстких ограничениях, вызванных грузоподъёмностью РН и окружающими условиями космического пространства, что явилось дополнительным стимулом для развития совершенно новой отрасли техники — микроэлектроники и создания лёгких электронных систем. Новые методы компоновки электронной аппаратуры, миниатюризации габаритов, массы и потребления энергии этой аппаратурой были развиты для её использования в космосе. Быстрый прогресс теории управления способствовал решению сложнейших проблем динамики полёта, стабилизации ракеты. Были созданы разнообразные комплексы систем автоматического регулирования, ультраточные гироскопические и гироинерциальные системы с применением цифровых и аналоговых управляющих машин. К достижениям космической техники относятся также системы, обеспечивающие ориентацию с весьма высокой точностью космических аппаратов, системы жизнеобеспечения, комплекс средств мягкой посадки, солнечные батареи и др. Потребности в связи и дистанционном управлении на больших расстояниях привели к развитию высококачественных и высокоточных систем связи, которые способствовали развитию технических методов прослеживания и измерения движущихся космических аппаратов на межпланетных расстояниях, открыв новые области применения ИСЗ. Советские учёные впервые разработали системы космического телевидения и космической связи. Высокоинформативные телеметрические системы позволяют надёжно контролировать работу космических аппаратов и передачу научной информации с их борта на Землю.

  Большое практическое значение имеют ИСЗ в народном хозяйстве. С помощью спутников связи «Молния-1» (запускаются с 1965), «Молния-2» (с 1971), «Молния-1С», «Молния-3» (с 1974), «Радуга» (с 1975), телевизионного спутника «Экран» (с 1976) и сети наземных приёмных станций «Орбита» осуществляются передачи телевидения и многоканальная радиосвязь, успешно установлена международная телефонная связь. Создана специальная система приёма, оперативной обработки и распространения поступающей метеорология, информации («Метеор»). Практическое использование космической техники включает также географические, геологические и геофизические исследования, поиски полезных ископаемых, использование спутников для контроля за уровнем загрязнения атмосферы, Мирового океана, для навигации, сельского, лесного хозяйства и т. д.

  С 1957 развивается международное сотрудничество в области космических исследований. В 1966 для координации деятельности различных министерств и ведомств по разработке и выполнению международных программ решением Советского правительства был создан Совет по международному сотрудничеству в области исследования и использования космического пространства при АН СССР («Интеркосмос»). Наиболее крупные программы совместных работ СССР осуществляет со странами социалистического содружества, а также с Францией, США, Индией и др. В 1969—76 запущено 16 спутников серии «Интеркосмос». Свыше 10 французских и советско-французских научных экспериментов было выполнено на советских космических аппаратах типа «Луноход», «Марс», «Прогноз» и «Ореол». В апреле 1975 советской РН был запущен индийский спутник «Ариабата». В июле 1975 был проведён первый международный эксперимент с участием пилотируемых кораблей СССР и США по программе ЭПАС («Союз — Аполлон»), который явился важным шагом в развитии международного сотрудничества в исследовании и использовании космического пространства в мирных целях. На основе договорённости, достигнутой в 1976, в 1978—83 граждане социалистических стран, участвующих в программе «Интеркосмос», совершат полёты совместно с советскими космонавтами на советских космических кораблях и орбитальных станциях.