Solsystemets oppdagelse og utforskning har pågått over flere hundre år. På 1600–tallet begynte en mer systematisk utforskning å skje gjennom utviklingen av jordbaserte teleskop, som muliggjorde nærmere studier av objekter i solsystemet. Teleskopenes utvikling har siden den gang blitt betydelig bedre og moderne teleskoper kan til og med skape bilder i andre bølgelengder enn synlig lys, som blant annet røntgen-, radio-, gamma-, ultrafiolett- og infrarød stråling. I moderne tid skjer også utforskningen med romsonder som enten flyr forbi objektene, legger seg i bane rundt dem eller lander/krasjer på dem. Siden 1961 har også mennesker blitt sendt ut i rommet (dyr fra 1957) og i 1969 ble den amerikanske astronauten Neil Armstrong det første mennesket på månen. Ingen andre himmellegemer har imidlertid blitt besøkt av mennesker, selv om det finnes planer om dette.

Den første utforskningen av solsystemet ble gjennomført ved studier gjennom teleskop da astronomer begynte å ta bilder av de objektene som var for svake til å kunne betraktes med det blotte øyet.

Galileo Galilei var den første som oppdaget fysiske detaljer på den enkelte objektene i solsystemet. Han oppdaget at månen hadde kratre, at solen var dekket med solflekker og at Jupiter hadde fire måner som kretset rundt den.^[1]

Christiaan Huygens fortsatte Galileo Galileis studier og oppdaget Saturns måne Titan og formen på Saturns ringer.^[2] Giovanni Domenico Cassini oppdaget senere ytterligere fire av Saturns måner, Cassini-delinga.^[3]

Edmond Halley innså i 1705 at de gjentatte observasjonene av en komet egentlig kom fra samme objekt som regelmessig kom tilbake hvert 75.–76. år. Dette var det første beviset på at noe annet enn planetene kretset rundt solen.^[4] På denne tiden (1704) dukket begrepet «Solar System» («solsystemet») opp på engelsk.^[5]

I 1781 spanet William Herschel etter dobbeltstjerner i stjernebildet Tyren da han oppdaget det han trodde var en ny komet. Etter å ha studert objektets baner viste det seg imidlertid å være en ny planet, Uranus.^[6]

Giuseppe Piazzi oppdaget dvergplaneten Ceres i 1801. Et mindre objekt mellom Mars og Jupiter som opprinnelig var trodd å være en planet. Etterfølgende oppdagelser av tusenvis av mindre objekter i samme område førte imidlertid til at disse ble omklassifisert som asteroider.^[7]

I 1846 førte uregelmessigheter i Uranus' bane til mistanker om at planeten ble påvirket av gravitasjonen fra en større, ytre planet. Urbain Le Verriers betraktninger ledet etterhvert til oppdagelsen av Neptun.^[8]

Selv om tidspunktet for «oppdagelsen» av solsystemet er omdiskutert, var det tre observasjoner på 1800-tallet som til slutt avgjorde dets natur og plass i universet. Til å begynne med lyktes Friedrich Bessel i å måle en stjerneparallakse i 1838, en åpenbar forandring i posisjonen for en stjerne på grunn av jordens ferd rundt solen. Dette var ikke bare det første direkte, eksperimentelle beviset for det heliosentriske verdensbildet, men det avslørte også, for første gang, den enorme avstanden mellom solsystemet og stjernene.^{[trenger referanse]}

I 1859 brukte Robert Bunsen og Gustav Kirchhoff det nylig oppfunnede spektrometeret til å undersøke solens spektrale signatur. De oppdaget da at den bestod av de samme grunnstoffene som jorden og etablerte for første gang en fysisk kobling mellom jorden og himmelen.^[9] Til slutt sammenlignet Angelo Secchi den spektrale signaturen for solen med de andre stjernene og delte disse inn i klasser, hvorav solen regnes som en gul stjerne. At de inneholdt samme grunnstoff anså han som et bevis for at solen var en stjerne,^[10] noe som førte til teorien om at andre stjerner kunne ha egne planetsystem. Det tok imidlertid nærmere 140 år før det kunne bevises.^{[trenger referanse]}

Ytterligere ujevnheter i de ytre planetenes baner førte til at Percival Lowell dro konklusjonen om at ytterligere en annen planet, «Planet X», måtte ligge utenfor Neptun. Etter hans død fortsatte hans observatorium, Lowell Observatory, letingen, og Clyde Tombaugh fant til slutt Pluto i 1930. Pluto viste seg imidlertid å være for liten til å ha kunnet påvirke banen til de ytre planetene, så oppdagelsen var derfor en tilfeldighet. Som Ceres ble den i starten ansett å være en planet, men da ytterligere objekter med samme størrelse ble oppdaget i dens nærhet, ble den omklassifisert til dvergplanet av IAU i 2006.^[8]

De første bevisene for andre planetsystem enn vårt eget ble oppdaget i 1992 (alt i 1989 oppdagdes det som kan være en eksoplanet, men det er enda ikke bekreftet). Planetsystemet kretset rundt pulsaren PSR B1257+12. Tre år senere ble 51 Pegasi b, den første eksoplaneten som kretset rundt en sollignende stjerne, oppdaget. Frem til 18. juli 2009 var 353 ekspolaneter oppdaget.^[11]

I 1992 ble også (15760) 1992 QB1 oppdaget av astronomene David C. Jewitt og Jane Luu. Objektet viste sseg å være det første av en ny gruppe objekter som senere ble kalt Kuiper-legemer. Det var en isete motsetning til det asteroidebeltet som Pluto og Charon anses å tilhøre.^[12][13]

Mike Brown, Chad Trujillo og David Rabinowitz offentliggjorde oppdagelen av Eris i 2005. Eris var et objekt som var større en Pluto, beliggende i den såkalte spredte skiven, og var det største objektet som var blitt oppdaget i bane rundt solen siden Neptun.^[14]

Siden starten på romalderen har en stor del av utforskningen av solsystemet skjedd ved bruk av romsonder som sendes ut på fjernstyrte ubemannede oppdrag. Disser har blitt sendt opp av en rekke ulike romfartsorganisasjoner.

Alle planetene i solsystemet har nå i varierende grad hatt besøk av romsonder sendt opp fra jorden. Gjennom disse ubemannede oppdragene har det blitt tatt nærbilder av planetene, og i enkelte tilfeller har det også romfartøyene landet på planetene og tatt prøver av grunnen og atmosfæren.

Det første menneskeskapte objektet som ble sendt ut i rommet, og plassert i bane rundt jorden, var den russiske satellitten Sputnik 1 i 1957. Den lyktes i å legge seg i bane rundt jorden den 4. januar etterfølgende år.^[16] Den amerikanske romsonden Explorer 6, som ble sendt opp i 1959, var den første satellitten som tok bilder av jorden fra rommet.

Den første romsonden som lyktes i å fly til et annet himmellegeme i solsystemet var Luna 1, som akselererte forbi månen i 1959. Den var opprinnelig tenkt å skulle krasjlande på månen, men bommet på målet og ble i stedet det første menneskeskapte objektet til å gå i bane rundt solen.^[17] Mariner 2 var den første romsonden til å ferdes til en annen planet. Målet var Venus, og sonden nådde dit i 1962. Den første gjennomførte passeringen av Mars ble utført av Mariner 4 i 1965. Merkur fikk for første gang besøk i 1974, av romsonden Mariner 10.^[18]

Den første romsonden til å utforske de ytre planetene var Pioneer 10, som fløy forbi Jupiter i 1973. Pioneer 11 ble den første romsonden som besøkte Saturn i 1979. Voyagersondene gjennomførte en lang ferd til de ytre planetene etter at de ble skutt opp i 1977. Begge sondene passerte Jupiter i 1979 og Saturn i 1980–81. Voyager 2 fortsatte deretter å holde seg nær og undersøke Uranus i 1986 og Neptun i 1989. Begge Voyagersondene er nå langt forbi Neptuns bane, og ligger på en kurs for å finne og studere det området hvor solvinden avtar til lysets hastighet samt heliopausen og heliosfæren. Ifølge NASA har begge Voyagersondene nådd det indre sjokket på en avstand av ca. 93 AU fra solen.^[18]

Den første passeringen av en komet fant sted i 1985 da International Cometary Explorer (ICE) passerte forbi kometen Giacobini-Zinner,^[19] mens den første passeringen av en asteroide ble gjennomført av romsonden Galileo. Galileo tok bilder av både 951 Gaspra (1991)^[20] og 243 Ida (1993) på dens vei mot Jupiter.

Ingen objekter i Kuiperbeltet er per mars 2011 besøkt av en romsonde. Den 19. januar 2006 ble romsonden new Horizons skutt opp i en bane som gjør at den blir det første menneskeskapte objektet til å utforske dette området, dersom alt går som planlagt. Etter planen skal den passere Pluto i 2015. Skulle oppdraget gå som planlagt, kan det komme til å bli forlenget for å undersøke ytterligere objekter i Kuiperbeltet.^[21]

I 1966 ble månen det første himmellegemet i solsystemet, bortsett fra jorden, til å få en menneskeskapt satellitt, Luna 10, kretsende rundt seg. Mars var den første planeten da Mariner 9 gikk i bane i 1971, Venera 9 gikk i bane rundt Venus i 1975, Galileo gikk i bane rundt Jupiter i 1995, NEAR Shoemaker gikk i bane rundt asteroiden (433) Eros i 2000 og Cassini-Huygens gikk i bane rundt Saturn i 2004. Sonden MESSENGER er på vei for å legge seg i bane rundt Merkur i 2011, og rundt dvergplaneten Ceres i 2015.

Den første sonden til å lande på en annen planet var den sovjetiske sonden Luna 2 som slo på månen i 1959. Siden da har planeter beliggende enda lengre unna blitt nådd av sonder som har landet på eller krasjet med overflaten. Venus ble nådd i 1966 av Venera 3, Mars i 1971 av Mars 3 (selv om en helt perfekt landing ikke skjedde før Viking 1, som landet i 1967) og (433) Eros i 2001 av NEAR Shoemaker. Saturns måne Titan fikk besøk av sonden Huygens, som hadde delt seg fra moderfarkosten Cassini og kometen Tempel 1 fikk besøk av Deep Impact i 2005. Kretseren Galileo slepte også ned en sonde i Jupiters atmosfære i 1995. Da Jupiter mangler fysisk overflate ble den ødelagt av den økende temperaturen og trykket mens den dalte nedover.

Til dags dato (2011) har kun to andre himmellegemer, månen og Mars, blitt besøkt av mobile rovere. Den første roveren til å besøke et annet himmellegeme var den sovjetiske Lunokhod 1 som landet på månen i 1970. Den første til å besøke en annen planet var pathfinderen Sojourner som landet på Mars i 1997 og beveget seg ca. 500 meter over overflaten. De eneste bemannede roveroppdragene som har besøkt en annen verden er NASAs månebil som ble fraktet dit med Apollo 15–, 16– og 17-oppdragene som fant sted mellom 1971 og 1972.

Bemannet utforskning av solsystemet er per i dag (2011) begrenset til jordens umiddelbare omgivelser. Det første mennesket til å nå rommet (definert til en høyde på over 100 km) og gå i bane rundt jorden var den sovjetiske kosmonauten Jurij Gagarin som ble skutt opp med Vostok 1 12. april 1961. Første mennesket til å entre overflaten på et annet himmellegeme i solsystemet var den amerikanske astronauten Neil Armstrong da han steg ut på månen den 21. juli 1969 under Apollo 11-landingen. Ytterligere fem månelandinger fant sted frem til 1972. Den amerikanske romfergen, som ble brukt for første gang i 1981, er det eneste romfartøyet som har kunnet returnere ved gjentatte tilfeller. De ferm romfergene som har blitt bygd har totalt flydd 121 oppdrag, med to ferjer som har blitt ødelagt i ulykker. Den første romstasjonen som ble plassert i bane rundt jorden, og som har hatt besøk av mer enn én besetning, var NASAs Skylab. Skylab fikk til sammen besøk av tre besetninger i årene 1973–74.

Den første virkelige bosetningen i rommet var den sovjetiske romstasjonen Mir, som konstant hadde kosmonauter boende der i ti år fra 1989 til 1999. Den ble stengt ned og bevisst ødelagt i jordens atmosfære hvor den brant opp 23. mars 2001. Den internasjonale romstasjonen tok over plassen etter Mir, og har hatt en kontinuerlig besetning siden 2. november 2000.

I 2004 ble SpaceShipOne den første privatfinansierte farkosten til å nå en høyde på 100 km.^[22] Samme år presenterte den daværende amerikanske presidenten George W. Bush sin Vision for Space Exploration. Der fastslo han at romfergene skulle avvikles og erstattes, at amerikanerne igjen skulle sette sin fot på månen og at en bemannet ferd til Mars skulle finne sted.^[23]