地球近傍を離れ、太陽系の惑星間空間に進出して実施する科学的探査のこと。火星や金星の探査を手始めとした、惑星・準惑星、小天体などへ探査機を飛ばして行う探査を意味する。月は地球周回軌道を巡っているので、月探査を深宇宙探査と呼ぶことはない。また地球と太陽の重力が平衡するラグランジュ点に、いくつかの望遠鏡衛星が配置されているが、これらも深宇宙探査とは呼ばない。