Изучать планеты-гиганты с помощью космической техники начали на десятилетие позже, чем планеты земной группы. 3 марта 1972 г. с Земли стартовал американский космический аппарат "Пионер-10". Через 6 месяцев полёта аппарат успешно миновал пояс астероидов и ещё через 15 месяцев достиг окрестностей "царя планет", пройдя на расстоянии 130 300 км от него в декабре 1973 г.

С помощью оригинального фотополяриметра получено 340 снимков облачного покрова Юпитера и поверхностей четырёх самых крупных спутников: Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто. Помимо Большого Красного Пятна, размеры которого превышают диаметр нашей планеты, обнаружено белое пятно поперечником более 10 тыс. километров. Инфракрасный радиометр показал, что температура внешнего облачного покрова составляет 133 К. Было обнаружено также, что Юпитер излучает в 1,6 раза больше тепла, чем получает от Солнца; уточнена масса планеты и спутника Ио.

Исследования показали, что Юпитер обладает мощным магнитным полем; также была зарегистрирована зона с интенсивной радиацией (в 10 тыс. раз больше, чем в околоземных радиационных поясах) на расстоянии 177 тыс. километров от планеты. Притяжение Юпитера сильно изменило траекторию полёта аппарата. "Пионер-10" начал двигаться по касательной к орбите Юпитера, удаляясь от Земли почти по прямой. Интересно, что шлейф магнитосферы Юпитера был обнаружен за пределами орбиты Сатурна. В 1987 г. "Пионер-10" вышел за границы Солнечной системы.

Трасса "Пионера-11", пролетевшего на расстоянии 43 тыс. километров от Юпитера в декабре 1974 г., была рассчитана иначе. Он прошёл между поясами и самой планетой, не получив опасной дозы радиации. На этом аппарате были установлены те же приборы, что и на предыдущем. Анализ цветных изображений облачного слоя, полученных фотополяриметром, позволил выявить особенности и структуру облаков. Их высота оказалась различной в полосах и расположенных между ними зонах. Согласно исследованиям "Пионера-II", светлые зоны и Большое Красное Пятно характеризуются восходящими течениями в атмосфере. Облака в них расположены выше, чем в соседних областях полос, и здесь холоднее.

Притяжение Юпитера развернуло "Пионер-11" почти на 180°. После нескольких коррекций траектории полёта он пересёк орбиту Сатурна недалеко от самой планеты.

Уникальное взаимное расположение Земли и планет-гигантов с 1976 по 1978 г. было использовано для последовательного изучения этих планет. Под влиянием полей тяготения космические аппараты смогли переходить с трассы полёта от Юпитера к Сатурну, затем к Урану и Нептуну. Без использования гравитационных полей промежуточных планет полёт к Урану занял бы 16 лет вместо 9, а к Нептуну - 20 лет вместо 12. В 1977 г. в длительное путешествие отправились аппараты "Вояджер -1, -2", причём "Вояджер-2" был запущен раньше, 20 августа 1977 г., по "медленной" траектории, а "Вояджер-1" - 5 сентября 1977 г. по "быстрой".

"Вояджер-1" совершил пролёт около Юпитера в марте 1979 г., а "Вояджер-2" прошёл мимо гиганта на четыре месяца позже. Они передали на Землю снимки облачного покрова Юпитера и поверхностей ближайших спутников с удивительными подробностями. Атмосферные массы красного, оранжевого, жёлтого, коричневого и синего цветов постоянно перемещались. Полосы вихревых потоков захватывали друг друга, то сужаясь, то расширяясь. Скорость перемещения облаков оказалась равной 11 км/с. Большое Красное Пятно вращалось против часовой стрелки и делало полный оборот за 6 ч. "Вояджер-1" впервые показал, что у Юпитера имеется система бледных колец, расположенных на расстоянии 57 тыс. километров от облачного покрова планеты, а на спутнике Ио действуют восемь вулканов. "Вояджер-2" сообщил спустя несколько месяцев, что шесть из них продолжают активно действовать. Фотографии других галилеевых спутников - Европы, Ганимеда и Каллисто - показали, что их поверхности резко отличаются друг от друга.

Американский космический аппарат "Галилео", доставленный на околоземную орбиту в грузовом отсеке корабля многоразового использования "Атлантис", представлял собой аппарат нового поколения для исследования химического состава и физических характеристик Юпитера, а также для более детального фотографирования его спутников. Аппарат состоял из орбитального модуля для длительных наблюдений и специального зонда, который должен был проникнуть в атмосферу планеты. Траектория "Галилео" была довольно сложной. Сначала аппарат направился к Венере, мимо которой прошёл в феврале 1990 г. Затем по новой траектории в декабре он вернулся к Земле. Были переданы многочисленные фотографии Венеры, Земли и Луны.

В октябре 1991 г., проходя через пояс астероидов, аппарат сфотографировал малую планету Гаспра. Вернувшись к Земле второй раз в декабре 1992 г. и получив новое ускорение, он устремился к основной цели своего путешествия - Юпитеру. Оказавшись в августе 1993 г. снова в поясе астероидов, он сфотографировал ещё одну малую планету, Иду.

Спустя два года "Галилео" достиг окрестностей Юпитера. По команде с Земли от него отделился спускаемый зонд и в течение пяти месяцев совершал самостоятельный полёт к границам атмосферы Юпитера со скоростью 45 км/с. За счёт сопротивления её верхних слоев в течение двух минут скорость снизилась до нескольких сот метров в секунду. При этом перегрузки превосходили земную силу тяжести в 230 раз. Аппарат проник в атмосферу на глубину 156 км и функционировал в течение 57 мин. Данные об атмосфере ретранслировались через основной блок "Галилео".