Uzay keşfi, dış uzayı keşfetmek için astronomi ve uzay teknolojisini kullanmaya denir. Keşif, insan uzay uçuşu ve robot uzay uçuşu olarak gerçekleşmiştir.
Uzaydaki cisimlerin gözlemi, yani astronomi, bilinen en eski bilimsel çalışmalardan biridir, güvenilir kayıtlı tarihten öncesine uzanır. 20. yüzyılın başında geliştirilen benzin roketleri, uzay keşfinin genişlemesi ve gerçekleşmesine izin verdi. Uzay keşfi genellikle politik yarışa dönüşür, ülkeleri daha önce keşfetmek için hızlandırır, ABD ve SSCB arasındaki 'uzay yarışı' gibi.
Uzay keşfi, tek uçuşlardan, daha çok keşfe imkan veren tekrar kullanılabilir malzemelere kaydı. Uzay keşfinde özel alaka, daha fazla rekabet ve daha büyük devlet görevlerine neden oldu.
İlk uydu fırlatılması 1957'de gerçekleştirildi. Sputnik adında insansız bir hava aracı yaklaşık 150 mil dünyanın yörüngesinde kaldı. Sovyet başarısının ardından, ABD iki ay sonra Vanguard 1 adlı başarısısız fırlatışı yaptı. 1958'de ABD Explorer 1'i başarılı bir şekilde fırlattı.
1961'de Vostok 1 adlı araçla ilk insanlı uzay uçuşu gerçekleştirildi, 27 yaşındaki bir adamı taşıyarak. Uzay uçuşu, dünya yörüngesindeki turunu iki saatte tamamladı. Bu zafer, dünyayı uzay keşfinde cesaretlendirdi. ABD, Sovyetler'in ardından altı ay içinde onları takip etti. Mercury uçuşu, 20 Şubat 1962'de dünyanın çevresinde tam altı tur attı. 1963'te Vostok 6 ile bir kadın dünyanın çevresinde 48 tur attı.
Uzay keşfinin ilk amaçlarından biri, uzayda yaşamı inceleyen astrobiyolojidir. Astrobiyoloji esas olarak yaşamın kaynağına ve evrimine odaklanmıştır. Eksobiyoloji de denir. Astrobiyologlar, başka herhangi bir yaşamdan farklı olan bir yaşamın geçmişte keşfedildiği ihtimali üzerinde de durmaktadır.