L'Agència Espacial Europea (ESA) opera diverses missions, tant operatives com científiques, incloent col·laboracions amb altres administracions espacials nacionals, com ara la japonesa JAXA, la francesa CNES, l'italiana ASI Agenzia Spaziale Italiana, l'alemanya DLR, l'estatunidenca NASA, i la xinesa CNSA. La seva cartera de missions també inclou moltes missions col·laboracions publicoprivades, algunes dels quals amb operadors de satèl·lits europeus com EUMETSAT, Eutelsat, i Inmarsat.

Una de les bases de la Directriu Científica de l'ESA és el programa Cosmic Vision, una sèrie de missions de ciència espacial escollides per l'ESA per llançar mitjançant competicions, similar als programes Discovery i New Frontiers de la NASA. Segueixen els programes Horizon 2000 i Horizon 2000+ que va llançar missions notables com la Huygens, Rosetta i Gaia. Cada missió de ciències espacials es divideix en dues categories: "Sol i Sistema Solar", missions que estudien el sistema solar, i "Astrofísica", missions que estudien l'astronomia interestel·lar. Un programa operatiu de manera similar es va centrar en l'observació de la Terra, conegut com a Living Planet Programme, ha llançat diversos "Earth Explorers" (exploradors terrestres) com el GOCE i Swarm, que serveixen en moltes formes de geociència individualment. Algunes missions de l'ESA també s'han llançat i operat fora d'un programa canònic, com és el cas de missions com ara Giotto, Ulysses, i Mars Express.

Programes científics Horizon 2000 miniatura|Impressió artística de Rosetta, una missió "cornerstone" (pedra angular) del programa Horizon 2000 originalment formulat a la dècada de 1980. Missions Cornerstone Cornerstone 1 – SOHO, llançat el desembre de 1995, – Missió conjunta ESA-NASA d'observació solar que proporciona informació en temps real de pronòstics de clima espacial. Cornerstone 1 – Cluster, llançat el juny de 1996, – Missió d'observació terrestre utilitzant quatre naus espacials idèntiques per estudiar la magnetosfera del planeta. Va fallar el llançament. Rellançament – Cluster II, llançat el juliol i agost del 2000, – Missió de substitució reeixida. Cornerstone 2 – XMM-Newton, llançat el desembre de 1999, – Un observatori espacial de raigs X, que estudia tota la gamma de fonts de rajos X còsmics. Cornerstone 3 – Rosetta, llançat el març del 2004, – Missió orbital de 67P/Txuriúmov-Herassimenko, estudi del cometa i la seva evolució. Cornerstone 4 – Herschel, llançat el maig del 2009, – Missió d'observatori espacial en infraroig per a l'astronomia general.

Missions mitjanes Medium 1 – Huygens, llançat l'octubre de 1997, – Mòdul de descens a Tità de la missió Cassini–Huygens; primer aterratge al sistema solar exterior. Medium 2 – INTEGRAL, llançat a l'octubre de 2002, – Observatori espacial de rajos gamma, també capaç d'observar raigs X i les longituds d'ona visibles. Medium 3 – Planck, llançat el maig del 2009, – Missió de cosmologia que va cartografiar el fons còsmic de microones i les seves anisotropies.

Horizon 2000+ Mission 1 – Gaia, llançat el desembre de 2013, – Missió d'astrometria per mesurar les posicions i distàncies de més de mil milions d'objectes de la Via Làctia. Mission 2 – LISA Pathfinder, llançat el desembre de 2015, – Demostració de tecnologies per la missió d'observatori d'ones gravitatòries LISA del programa Cosmic Vision. Mission 3 – BepiColombo, llançat l'octubre de 2018, – Missió conjunta ESA-JAXA de reconeixement de Mercuri, utilitzant dues naus espacials úniques que operen respectivament.

Cosmic Vision miniatura|Impressió artística de Jupiter Ganymede Orbiter com a part de la missió Europa Jupiter System Mission – Laplace, que després evolucionaria cap a la missió de Cosmic Vision de classe L JUICE. Missions classe S S1 – CHEOPS, llançament a l'octubre o novembre de 2019, – Missió d'observatori espacial centrat en l'estudi dels exoplanetes. S2 – SMILE, llançament pel 2023, – Missió conjunta ESA-CAS d'observació terrestre, per estudiar la interacció entre la magnetosfera del planeta i el vent solar.

Missions classe M M1 – Solar Orbiter, llançament pel febrer de 2020, – Missió d'observatori solar, dissenyada per fer estudis in situ del sol en un periheli de 0,28 unitats astronòmiques. M2 – Euclid, llançament pel juny de 2022, – Missió d'observatori de l'espai visible i d'infraroig proper centrat en la matèria i energia fosca. M3 – PLATO, llançament pel 2026, – Missió d'observatori espacial semblant al Kepler, dirigit a descobrir i observar exoplanetes. M4 – ARIEL, llançament pel 2028, – Missió d'observatori espacial basat amb el Planck per estudiar l'atmosfera d'exoplanetes coneguts. M5 – SPICA; THESEUS i EnVision, – són els tres candidats a un llançament el 2032 a data de maig de 2018.

Missions classe L L1 – JUICE, llançament pel juny de 2022, amb inserció orbital pel 2030. – Missió orbital de Júpiter, centrat en l'estudi dels satèl·lits galileans d'Europa, Ganímedes i Cal·listo. L2 – ATHENA, llançament pel 2031, – Missió d'observatori espacial de rajos X, dissenyada com a successora del telescopi XMM-Newton. L3 – LISA, llançament pel 2034, – la primera missió dedicada d'observatori espacial d'ones gravitationals.

Missions classe F F1 - Comet Interceptor llançament pel 2028.ESA to Launch Comet Interceptor Mission in 2028. Emily Lakdawalla, The Planetary Society. June 21, 2019.

Living Planet Programme

Missions principals Earth Explorer 1 – GOCE, llançat el març del 2009, — Missió de gravimetria, orientada per fer un mapa precís del camp gravitatori terrestre. Earth Explorer 5 – ADM-Aeolus, llançat l'agost de 2018, – Missió de meteorologia, formada per una nau espacial equipada per crear perfils de components eòlics globals per ajudar a un pronòstic meteorològic més avançat. Earth Explorer 6 – EarthCARE, llançament pel 2021, – Missió conjunta ESA-JAXA de meteorologia i climatologia, dirigida a la caracterització de núvols i aerosols, juntament amb mesures de radiació reflectida i emesa de la superfície terrestre. Earth Explorer 7 – Biomass, llançament pel 2022, – Missió d'ecologia, estudi del cicle del carboni i l'ecologia forestal, observant el desenvolupament dels boscos i les seves característiques.

Missions d'oportunitat Earth Explorer 2 – SMOS, llançat el novembre de 2009, — Missió de climatologia, centrada en l'estudi del cicle de l'aigua i el clima de la Terra. Earth Explorer 3 – CryoSat-2, llançat l'abril de 2010, — Missió de ciències ambientals i glaciologia, dirigida a l'estudi dels casquets polars. Rellançament reeixit de la missió fracassada CryoSat. Earth Explorer 4 – Swarm, llançat el novembre de 2013, — Missió de magnetosfera, duta a terme per un trio de naus espacials llançades a estudiar el camp magnètic terrestre. Earth Explorer 8 – FLEX, llançament pel 2023, – Missió de biologia, dirigida per mesura la quantitat de fluorescència de clorofil·la en la vegetació terrestre. Earth Explorer 9 – per ser anunciat

Missions fora de programa Anteriors miniatura|Impressió artística mostrant COS-B, la primera missió científica operada per l'ESA, llançada a l'agost de 1975. ARD, llançat a l'octubre de 1998 – Missió demostrativa per provar les noves tecnologies en dissenys de reentrada atmosfèrica. CoRoT, llançat el desembre del 2006 – Missió d'observatori espacial capçalat pelCNES per trobar exoplanetes i fer estudis d'astrosismologia. COS-B, llançat l'agost de 1975 – Missió d'observatori espacial de raigs gamma organitzada per l'European Space Research Organisation, un precursor de l'ESA. Va ser la primera missió llançada per l'ESA. CryoSat-1, llançat a l'octubre del 2005 – Missió de ciències ambientals i glaciologia, centrada a estudiar els casquets polars de la Terra. Va fallar el llançament i es va tornar a llançar com a CryoSat-2 sota el Living Planet Programme. Double Star, llançat desembre de 2003 i juliol de 2004 – Missió conjunta CNSA-ESA d'observació terrestre per estudiar la magnetosfera del planeta, complimentant la missió Cluster de l'Horizon 2000. Família de satèl·lits ECS, llançat de juny de 1983 a juliol de 1988 – Missió conjunta Eutelsat-ESA per llançar la primera generació de satèl·lits de telecomunicacions EUTELSAT. Envisat, llançat el març del 2002 – Missió d'observació de la Terra centrada en estudis ambientals, utilitzant el satèl·lit civil d'observació de la Terra més gran que s'ha llançat mai. ERS-1 i ERS-2, llançat juliol de 1991 i abril de 1995 — Primeres missions d'observació de la Terra de l'ESA. EURECA, llançat l'agost de 1992 — Missió de proves de microgravetat amb una quinzena d'instruments de diverses administracions espacials nacionals europees. EXOSAT, llançat el maig de 1983 – Primera missió d'observatori espacial de raigs X de l'ESA. GEOS-1 i GEOS-2, llançat l'abril de 1977 i juliol de 1978 — Missió magnetosfèriques de reconeixement, que consisteix en càrregues útils experimentals de diverses administracions espacials nacionals europees. Giotto, llançat el juliol de 1985 – Primera missió interplanetària de l'ESA, dirigida a realitzar el primer sobrevol a un cometa, del Cometa de Halley. Part de l'Armada Halley. GIOVE-A, llançat el desembre del 2005 – Missió demostrativa de tecnologies pel sistema de navegació per satèl·lit Galileo. Hipparcos, llançat l'agost de 1989 – Primera missió d'astrometria de la història, dissenyada per catalogar 118.200 estrelles al Catàleg Hipparcos epònim, publicat el 1997. ISEE-2, llançat l'octubre de 1977 – Part de l'ESA del International Sun-Earth Explorer de la sèrie d'observacions magnetosfèriques conjuntes de la NASA-ESA. ISO, llançat el novembre de 1995 – Missió d'observatori espacial infraroig per a astronomia general. IXV, llançat el febrer de 2015 – Vehicle de reentrada suborbital experimental; missió demostrativa de llançadors reutilitzables. IUE, llançat el gener de 1978 – Missió conjunta NASA-ESA-SERC d'observatori espacial ultraviolat per a astronomia general. Família de satèl·lits MARECS, llançat de desembre de 1981 a novembre de 1984 – Programa conjunt Inmarsat-ESA que va llançar un duet de satèl·lits per crear una xarxa de comunicacions marítimes globals. MARECS B va fallar en el llançament. Olympus, llançat juliol de 1989 – missió de telecomunicacions pionera en els transmissors d'alta potència, tecnologia feix multi-punt de banda Ka i commutació a bord. OTS-1 i OTS-2, llançat el setembre de 1977 i maig de 1978 – Missió demostrativa com a sistema de satèl·lit de comunicacions geoestacionari. OTS-1 es va perdre en un error de llançament. SSETI Express, llançat a l'octubre del 2005 – Missió demostrativa d'estudiants, patrocinada per la ESA Education Office, que va llançar tres CubeSats per fer fotos de la Terra i servir de transponedor de ràdio. Schiaparelli, llançat el març de 2016 – Missió demostrativa per a les tecnologies d'aterratge dissenyades per a la plataforma de superfície ExoMars. Va fallar en aterrar a Mart. SMART-1, llançat el setembre de 2003 – Missió demostrativa de propulsió elèctrica solar, manifestant-se en una missió d'orbitador lunar transportant instruments miniaturitzats de baix cost. Ulysses, llançat a l'octubre de 1990 – Missió conjunta NASA-ESA d'observatori solar, emprant una nau espacial en una òrbita polar heliocèntrica. Venus Express, llançat el novembre del 2005 – Missió d'orbitador de Venus, centrat en l'estudi i observació a llarg termini de l'atmosfera des de l'òrbita citocèntrica polar. YES2, llançat el setembre del 2007 – Missió demostrativa d'estudiants, patrocinada per la ESA Education Office, que va desplegar una constel·lació de satèl·lits captius de 31,7 km. Error parcial del llançament. Meteosat (primera generació), llançat de novembre de 1977 a setembre de 1997 – Missió conjunta EUMETSAT-ESA de meteorologia que consta de set satèl·lits geoestacionaris llançats durant un període de vint anys. La reorbitació del Meteosat-7 es va iniciar el 3 d'abril de 2017.