太陽系的第壹次探測是由望遠鏡開啟的，始於天文學家首度開始繪制這些因光度暗淡而肉眼看不見的天體之際。
伽利略是第壹位發現太陽系天體細節的天文學家。他發現月球的火山口，太陽的表面有黑子，木星有4顆衛星環繞著。惠更斯追隨著伽利略的發現，發現土星的衛星泰坦和土星環的形狀。後繼的卡西尼發現了4顆土星的衛星，還有土星環的卡西尼縫、木星的大紅斑。 1705年，愛德蒙·哈雷認識到在1682年出現的彗星，實際上是每隔75-76年就會重復出現的壹顆彗星，現在稱為哈雷彗星。這是除了行星之外的天體會圍繞太陽公轉的第壹個證據。
1781年，威廉·赫歇爾在觀察壹顆它認為的新彗星時，在金牛座發現了聯星。事實上，它的軌道顯示是壹顆行星，天王星，這是第壹顆被發現的行星。
1801年，朱塞普·皮亞齊發現谷神星，這是位於火星和木星軌道之間的壹個小世界，而壹開始他被當成壹顆行星。然而，接踵而來的發現使在這個區域內的小天體多達數以萬計，導致他們被重新歸類為小行星。
到了1846年，天王星軌道的誤差導致許多人懷疑是不是有另壹顆大行星在遠處對他施力。埃班·勒維耶的計算最終導致了海王星的發現。在1859年，因為水星軌道近日點有壹些牛頓力學無法解釋的微小運動（“水星近日點進動”），因而有人假設有壹顆水內行星祝融星（中文常譯為“火神星”）存在；但這壹運動最終被證明可以用廣義相對論來解釋，但某些天文學家仍未放棄對“水內行星”的探尋。
為解釋外行星軌道明顯的偏差，帕西瓦爾·羅威爾認為在其外必然還有壹顆行星存在，並稱之為X行星。在他過世後，它的羅威爾天文臺繼續搜尋的工作，終於在1930年由湯博發現了冥王星。但是，冥王星是如此的小，實在不足以影響行星的軌道，因此它的發現純屬巧合。就像谷神星，他最初也被當作行星，但是在鄰近的區域內發現了許多大小相近的天體，因此在2006年冥王星被國際天文學聯會重新分類為矮行星。
在1992年，夏威夷大學的天文學家大衛·朱維特和麻省理工學院的珍妮·盧發現1992 QB1，被證明是壹個冰冷的、類似小行星帶的新族群，也就是現在所知的柯伊伯帶，冥王星和卡戎都被是其中的成員。
米高·布朗、乍德·特魯希略和大衛·拉比諾維茨在2005年宣布發現的鬩神星是比冥王星大的離散盤上天體，是在海王星之後繞行太陽的最大天體。
太空船的觀測
自從進入太空時代，許多的探測都是各國的太空機構所組織和執行的無人太空船探測任務。
太陽系內所有的行星都已經被由地球發射的太空船探訪，進行了不同程度的各種研究。雖然都是無人的任務，人類還是能觀看到所有行星表面近距離的照片，在有登陸艇的情況下，還進行了對土壤和大氣的壹些實驗。
第壹個進入太空的人造天體是前蘇聯在1957年發射的史潑尼克壹號，成功的環繞地球壹年之久。美國在1959年發射的先驅者6號，是第壹個從太空中送回影像的人造衛星。
第壹個成功的飛越過太陽系內其他天體的是月球1號，在1959年飛越了月球。最初是打算撞擊月球的，但卻錯過了目標成為第壹個環繞太陽的人造物體。水手2號是第壹個環繞其他行星的人造物體，在1962年繞行金星。第壹顆成功環繞火星的是1964年的水手4號。直到1974年才有水手10號前往水星。
探測外行星的第壹艘太空船是先驅者10號，在1973年飛越木星。在1979年，先驅者11號成為第壹艘拜訪土星的太空船。旅行者計劃在1977年先後發射了兩艘太空船進行外行星的大巡航，在1979年探訪了木星，1980和1981年先後訪視了土星。旅行者2號繼續在1986年接近天王星和在1989年接近海王星。 旅行者太空船已經遠離海王星軌道外，在發現和研究終端震波、日鞘和日球層頂的路徑上繼續前進。依據NASA的資料，兩艘旅行者太空船已經在距離太陽大約93天文單位處接觸到終端震波。
還沒有太空船曾經造訪過柯伊伯帶天體。而在2006年1月19日發射的新視野號將成為第壹艘探測這個區域的人造太空船。這艘無人太空船預計在2015年飛越冥王星。如果這被證明是可行的，任務將會擴大以繼續觀察壹些柯伊伯帶的其他天體。
在1966年，月球成為除了地球之外第壹個有人造衛星繞行的太陽系天體（月球10號），然後是火星在1971年（水手9號），金星在1975年（金星9號），木星在1995年（伽利略號，也在1991年首先飛掠過小Gaspra），愛神星在2000年（會合-舒梅克號），和土星在2004年（卡西尼號－惠更斯號）。信使號太空船正在前往水星的途中，預計在2011年開始第壹次繞行水星的軌道；同壹時間，黎明號太空船將設定軌道在2011年環繞竈神星，並在2015年探索谷神星。
第壹個在太陽系其它天體登陸的計劃是前蘇聯在1959年都登陸月球的月球2號。從此以後，抵達越來越遙遠的行星，在1966年計劃登陸或撞擊金星（金星3號），1971年到火星（火星3號），但直到1976年才有維京1號成功登陸火星，2001年登陸愛神星（會合-舒梅克號），和2005年登陸土星的衛星泰坦（惠更斯號）。伽利略太空船也在1995年拋下壹個探測器進入木星的大氣層；由於木星沒有固體的表面，這個探測器在下降的過程中被逐漸增高的溫度和壓力摧毀掉。
載人探測
載人的探測目前仍被限制在鄰近地球的環境內。第壹個進入太空（以超過100公裏的高度來定義）的人是前蘇聯的太空人尤裏·加加林，於1961年4月12日搭乘東方壹號升空。第壹個在地球之外的天體上漫步的是尼爾·阿姆斯特朗，它是在1969年的太陽神11號任務中，於7月21日在月球上完成的。美國的航天飛機是唯壹能夠重覆使用的太空船，並已完成許多次的任務。在軌道上的第壹個太空站是NASA的太空實驗室，可以有多位乘員，在1973年至1974年間成功的同時乘載著三位太空人。第壹個真正能讓人類在太空中生活的是前蘇聯的和平號空間站，從1989年至1999年在軌道上持續運作了將近十年。它在2001年退役，後繼的國際空間站也從那時繼續維系人類在太空中的生活。在2004年，太空船1號成為在私人的基金資助下第壹個進入次軌道的太空船。同年，美國前總統喬治·布什宣布太空探測的遠景規劃：替換老舊的航天飛機、重返月球、甚至載人前往火星。