С 1967 по 1971 г. было совершено 10 полетов космических кораблей «Союз». С 14 по 15 января 1969 г. состоялась первая стыковка космических кораблей «Союз-4», пилотируемого космонавтами В. А. Шаталовым и Б. В. Волыновым, и «Союз-5», управляемого А. С. Елисеевым и Е. В. Хруновым, причем два последних космонавта вышли в открытый космос и пересели в другой корабль. 19 апреля 1971 г. был осуществлен запуск первой в мире орбитальной космической станции «Салют-1». 23–25 апреля 1971 г. космический корабль «Союз-10» доставил на станцию первый ее экипаж в составе В. А. Шаталова, А. С. Елисеева и Н. Н. Рукавишникова. Следующая экспедиция должна была работать на станции 23 дня, что было рекордом по длительности пребывания в космосе. 6 июня 1971 г. экипаж космического корабля «Союз-11» в составе Георгия Добровольского, Владислава Волкова и Виктора Пацаева стартовал с космодрома Байконур и успешно состыковался со станцией. На космодроме перед стартом основной экипаж (Алексей Леонов, Валерий Кубасов и Петр Колодин) был заменен дублирующим (Добровольский, Волков, Пацаев). 30 июня 1971 г. при возвращении на Землю произошла разгерметизация спускаемого аппарата и экипаж погиб. С тех пор космические корабли комплектуются специальными скафандрами, в которые все члены экипажа облачаются на активных участках полёта.

Работы по созданию сверхмощной ракеты Н1 для полетов на Луну окончились неудачей. Проект получил название Н1-Л 3. Лунный орбитальный корабль Л 3 был рассчитан на 2 человек и на 13 суток полета, имел массу (с учетом топлива) 9850 кг. Масса спускаемого аппарата составляла 2804 кг. Размеры и технические характеристики всего комплекса РКК Н1-Л 3 (7Л) потрясали воображение: высота – 105, 3 м, диаметр – 16 м, масса выводимого полезного груза на орбиту – 90 т, стартовая масса – 2820 т, масса топлива – кислорода – 1730 т, керосина – 680 т, суммарная тяга двигателей 4615 тс. На проект были потрачены огромные средства. 21 февраля 1969 г. состоялся первый пуск Н1, однако ракета взорвалась на 70-й секунде полета. Аварийно закончился второй запуск 3 июля того же года. Третий запуск состоялся 27 июня 1971 г., а четвертый – 23 ноября 1972 г. Они также закончились неудачами. Многочисленные аварии вызвали неудовольствие правителей СССР. 22 мая 1974 г. В. П. Мишин был освобожден от должности начальника ЦКБЭМ, которое было преобразовано в научно-производственное объединение (НПО) «Энергия», Генеральным конструктором и директором которого был назначен академик В. П. Глушко. Очередной пуск системы Н1-Л 3 (№ 8Л) намечался на май 1974 г., однако по решению комиссии ЦК КПСС, возглавляемой Д. Ф. Устиновым, и с молчаливого согласия Академии наук СССР, все работы по дальнейшему развитию комплекса были прекращены. Первенство в освоении космоса пилотируемыми аппаратами окончательно перешло к США, которые к этому времени развернули работы по созданию системы «Спейс-Шаттл».

Была и субъективная причина неудачи в лунной гонке: Главный конструктор ЦКБЭМ В. П. Мишин считал, что наиболее эффективным и безопасным является исследование поверхности Луны при помощи автоматов, и у этой точки зрения также было много сторонников. И, действительно, исследование Луны с применением спутников шло достаточно успешно. 15 сентября 1968 г. автоматическая станция «Зонд-5» после семисуточного полета, облетев Луну, возвратилась на Землю, а 10 ноября с успехом завершила полет автоматическая станция «Зонд-6». К 1970 г. было запущено 16 межпланетных автоматических станций для исследования Луны. В ноябре 1971 г. межпланетная космическая станция «Луна-17» доставила на поверхность планеты автоматический самоходный аппарат «Луноход-1», который с 17 ноября 1970 по 4 октября 1971 г. прошел по поверхности планеты 10 540 м, обследовав площадь в 80 000 кв. м, было получено более 200 панорам лунной поверхности и сделано около 20 тысяч снимков, переданных на Землю. Аппарат весом 756 килограммов провел исследование грунта планеты. 16 января 1973 г. с помощью автоматической станции «Луна-21» в район Моря Ясности на поверхности Луны был доставлен автоматический аппарат «Луноход-2», который за 5 лунных дней прошел 37 километров пути и провел более детальные исследования. США к этому времени уже завершили лунную программу. Таким образом, СССР к 1974 г. отстал от США в этой области освоения космоса на 5 лет.

Этого пережить советское правительство не могло, и все силы были брошены на создание орбитальных космических станций. К началу 80-х гг. было запущено в космос 7 станций типа «Салют», осуществлены полеты международных космических экипажей, начало которым положил запуск 15–21 июля 1975 г. космического корабля «Союз-19» с экипажем в составе А. А. Леонова и В. Н. Кубасова. На орбите произошла стыковка с американским космическим кораблем «Аполлон», пилотируемым астронавтами Т. Стаффордом, В. Брандтом и Д. Слейтоном. Именно тогда было положено начало сотрудничеству двух держав в космосе. 2–10 марта 1978 г. состоялся запуск космического корабля «Союз-28», доставившего на орбитальную станцию «Салют-6» международный экипаж в составе летчика-космонавта А. А. Губарева и чехословацкого космонавта В. Ремека. В дальнейшем на орбите побывали представители всех социалистических стран.

Развитие программ по запуску орбитальных космических станций потребовало систематическую доставку грузов и топлива на орбиту. Пилотируемые космические корабли «Союз» не могли справиться с решением данной задачи. Поэтому было принято решение о создании грузового транспортного корабля «Прогресс», разработка эскизного проекта которого началась в середине 1973 г. Проектирование конструкторской и эксплуатационной документации велось в течение 1974–1976 гг., а к ноябрю 1977 г. работы по созданию транспортного корабля были завершены. Первый грузовой корабль «Прогресс-1» был запущен 20 января 1978 г. В течение двух суток велись маневры и летные испытания корабля, а в начале третьих суток полета он успешно состыковался с орбитальной станцией «Салют-6». Грузовой корабль имел массу 7020 кг, массу доставляемого груза 2300 кг, в том числе в грузовом отсеке 1300 кг, а в отсеке дозаправки – 1000 кг. С этого времени стали реальностью длительные пребывания экипажей на орбите. Время показало эффективность принятых технических решений, так как доставка грузов на орбиту при помощи «Прогрессов» оказалась приблизительно в 6 раз дешевле, нежели на кораблях многоразового использования типа «Спейс-Шаттл».

Американцы тоже осуществили запуск в космос своей орбитальной станции «Скайлэб». Это событие произошло 14 мая 1973 г. Экипаж астронавтов Ч. Конрада, Дж. Кервина и П. Вейца с 25 мая пробыл на станции 28 суток, а следующий экипаж А. Бина, О. Гэрриота и Дж. Лусма пробыл на ней два месяца. В это же время США начали уделять большое внимание созданию межпланетных автоматических станций для исследования дальнего космоса. С июля 1972 по февраль 1973 г. автоматическая станция «Пионер-10» осуществила пролет сквозь пояс астероидов Солнечной системы и 4 декабря 1973 г. приблизилась к Юпитеру. В это же время начались работы по созданию станции для посадки на спутник Сатурна Титан. В 1997 г. осуществился запуск автоматической станции, совершившей в конце 2004 г. посадку на поверхность этой планеты.

В СССР также продолжали межпланетные исследования. 19 мая 1971 г. автоматическая станция «Марс-2» достигла поверхности Марса, а 28 мая была осуществлена мягкая посадка спускаемого аппарата «Марс-3». Всеми делами в космосе сначала ведало Министерство обороны, потом часть их была выделена в гражданское ведомство – Министерство общего машиностроения.

Тем временем конструкторы атомного оружия создавали все более легкие и компактные образцы. Сверхтяжелые ракеты стали для доставки оружия не нужны. Их использовали для запуска спутников, необходимых для военной разведки, связи, картографии, наблюдения за погодой, а также для отправки зондов на Луну, Марс и Венеру.

Совершенствование атомного оружия позволило уменьшить размеры военных ракет, но требовало испытаний, число которых угрожающе нарастало и вводило в атмосферу опасные дозы радиоактивности. Об этом, помимо западных ученых, лично предупреждал Хрущёва академик Сахаров. В 1958 г. начались переговоры между СССР и США, и обе стороны 2 года воздерживались от испытаний.

Советские успехи в космосе скрыли от многих отставание СССР от США в ракетно-стратегическом состязании. 15 декабря 1959 г. было объявлено о создании нового вида вооруженных сил – Ракетных войск стратегического назначения (РВСН). В 1958–1961 гг. доля расходов на военные разработки и производство техники увеличилась с 2,9 до 5,6 процента от всего советского бюджета. Научно-конструкторское бюро Михаила Кузьмича Янгеля разработало несколько военных типов баллистических ракет. В 1957–1959 гг. были испытаны первые советские атомные подводные лодки, способные нести баллистические ракеты.