航天飞离地面更远，要求更高的速度、更长的航程、更可靠的控制。飞机必须在大气层内飞行，因为它依靠空气动力升空，而且利用大气做氧化剂。如果想飞到大气层外面去，飞机就不行了，必须依靠新的动力装置——火箭。火箭是航天器的基本动力装置。
火箭是古代中国人的发明。至迟到宋代，中国民间已出现了利用燃烧火药产生的高速气体推进箭只的技术。朝廷接受了民间人士的奉献，并加以改进而用于军事。据说，1083年宋朝与西夏的兰州之战便大量使用了火箭。
利用火箭作为动力制造飞天装置也是中国人的发明创造。据西方著作记载，明代有一位木匠叫万户，喜好钻研，精通制造火箭的技术。他在几个徒弟的帮助下，造出了一只“飞鸟”。飞鸟以一把椅子为主体，在四只椅脚上绑上了四支大火箭，以提供向上的推力。在椅背上绑了49支小火箭，以提供向前的推力。椅子的两侧还安装了翅膀。万户让人把他也绑在椅子上，并点着火箭。只见飞鸟急速上升，冲入半空，不一会儿，火箭点完了，飞鸟又急速向下坠落，在下落时翅膀又掉了一只，万户不幸坠地身亡。这虽然是一次失败的飞行，却是人类有史以来第一次以火箭为动力飞向天空，是一次伟大的壮举。国际天文学会将月球上的一座环形山命名为万户，以纪念这位勇士。
蒙古人西征把火箭技术传到了西方。西方人使用火箭的同时开始改进火箭技术，其中对西方火箭技术的发展贡献最大的，当属英国人康格里夫。拿破仑时代，英国面临着法国的威胁，战争的阴云密布，康格里夫正是在这一特殊的历史时期研究火箭这一新型武器的。英国上层很重视康格里夫的研制计划，予以强力资助，使他制造的固体火药火箭的射程达到了近3千米。用于实战之后，在战场上确实发挥了一定的作用。但是，随着火炮技术的发展，射程和精度迅速提高，特别是在炮膛里增加来复线之后，火炮的精度远远超过了火箭，使作为一种武器的火箭渐渐退出了战场。
现代火箭航天技术的先驱是俄国科学家齐奥尔科夫斯基。齐奥尔科夫斯基出生在一个贫苦的农民家庭，主要靠自学获得了航天方面的知识。他意识到，在没有空气的宇宙空间中，火箭是唯一的动力推进装置。1903年，他发表《利用喷气装置探测宇宙空间》的论文，第一次提出以火箭作为动力航天的思想。他指出，由于固体燃料振动太大，无法控制，航天火箭必须使用液体燃料。他还证明了，为了脱离地球引力必须使用多级火箭。在《在地球之外》这本科学幻想小说里，他系统完整地描述了宇宙航行的全过程。他提到了宇航服、太空失重状态、登月车。令人吃惊的是，他的设想与现代太空技术完全一样。1910年以后，齐奥尔科夫斯基又接连在莫斯科的《航空报告》上发表了几篇论文，比较系统地建立了火箭航天学理论。他的理论表明，火箭能够达到的最大速度与喷气的相对速度成正比，火箭的最大速度与火箭的质量比（起飞质量与燃料耗尽后的质量之比）成正比。可惜的是，齐奥尔科夫斯基的这些科学设想在当时没有得到应有的重视。当时的科学家对他的工作不感兴趣，而他的论文的专业性又阻碍了普通读者了解他的研究成果。后来，人们逐渐认识到了他的工作的价值，但当时的技术条件无法帮助他实现构想，因而他生前始终没能亲自造出一枚火箭来。尽管有这些坎坷，齐奥尔科夫斯基对空间技术的未来始终充满了信心。他的墓碑上刻着这样一句话：“人类不会永远将自己束缚在地球上。”这段话来自他自己的一段名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。它首先将小心地探索大气层的边缘，然后将把控制和干预能力扩展到整个太阳系。”
齐奥尔科夫斯基设想的液体火箭由美国人高达德首先研制成功。他几乎独自一人设计、制造并进行试验，是真正的孤胆航天英雄。1918年11月，他成功地发射了一枚固体火箭，为液体火箭做好了技术准备。1919年，他发表了《到达超高空的方法》一文，指出火箭可以在没有空气的太空中飞行。它既不需要空气的举力，也不需要空气作为氧化剂。1926年3月26日，第一枚以液体氧和汽油为燃料的液体火箭在麻省发射成功。火箭经过2.5秒的飞行，高度达12米，飞行距离56米。高达德兴奋地对助手们说：“这一下我可创造了历史。”
与齐奥尔科夫斯基的情况类似，高达德的试验也没有引起美国政府的重视。当时世界各国正致力于发展飞机，对火箭这种新型的飞行工具尚没有足够的认识。但高达德试验成功的消息在德国引起了反响。德国作为第一次世界大战的战败国，被禁止研制飞机这种进攻性武器，因此对火箭十分重视。罗马尼亚出生的德国科学家奥伯特一直在从事火箭的研究，并于1923年出版了《向星际空间发射火箭》一书，建立了航宇火箭的数学理论。在高达德试验的鼓舞下，他于1929年开始研制液体火箭。
1930年，奥伯特的学生冯·布劳恩发明了液氧和煤油混合燃料。1933年制成了A-1火箭，次年制成了A-2火箭。1936年又制成了A-3火箭，射程已达18千米。1942年，A-4火箭问世，其速度已达每秒2千米，射程达190千米。当时，第二次世界大战已经爆发，火箭马上被作为一种新式武器投入研制和使用。导弹登上了军事史的舞台。
在火箭上装弹头，并附加上良好的导向装备，就成了导弹，也叫弹道火箭，即一种超级大炮。1939年，冯·布劳恩和他的研究小组被迁往皮曼德组建一个研究所和发射场，专门研制远距离导弹。在这位杰出的青年火箭专家（只有20多岁）的带领下，德国于1943年造出了V-2导弹。它是在A-4火箭的基础上改进的，重约6吨，射程达300多千米，速度是音速的6倍。1944年，德国在各条战线频频失利的情况下决定使用新型的导弹武器袭击英国，此举令英国手足无措。虽然导弹的命中率还不高，但由于它速度快，飞机和高炮均无法拦截它，因此对英国产生了极强的威慑力。
德国战败后，冯·布劳恩等100多名德国火箭专家被美国人捕获，转到美国继续从事火箭的研究。苏联迟到一步，没抓到重要的专家，但得到了一些V-2火箭和工厂设备。战后，两国展开了激烈的太空争夺战。苏联科学家在科罗列夫的领导下，很快掌握了V-2导弹的制造技术。1954年赫鲁晓夫上台后，非常重视和支持科罗列夫的洲际导弹研制计划。1957年8月21日，苏联成功发射了第一枚洲际弹道导弹，射程达8000千米，使苏联的火箭技术领先于美国。此前苏联已经制造出了原子弹，洲际导弹的成功意味着它可以把原子弹打往世界任何一个地方。一时间，两大阵营军事力量的对比发生了巨大的改变。美国人慌了。
