W 2004 roku wystartowała sonda Rosetta, której lądownik Philae 12 listopada 2014 roku jako pierwszy w historii wylądował na komecie 67P/Czuriumow-Gierasimienko. W listopadzie 2005 roku wystrzelono sondę wenusjańską Venus Express. W latach 2008–2015 ESA wyniosła na orbitę pięć bezzałogowych statków transportowych ATV, które zaopatrywały Międzynarodową Stację Kosmiczną.
W marcu 2009 roku wystrzelono GOCE, satelitę geofizycznego badającego pole grawitacyjne Ziemi i cyrkulację oceaniczną. W maju 2009 roku ESA wyniosła jednocześnie dwa teleskopy kosmiczne: Kosmiczne Obserwatorium Herschela pracujące w dalekiej podczerwieni i falach submilimetrowych oraz Planck mierzący anizotropię mikrofalowego promieniowania tła. W lutym 2015 roku wykonano lot suborbitalny eksperymentalnego pojazdu IXV, demonstratora statku powrotnego. W grudniu 2015 roku wystrzelono LISA Pathfinder, który przetestował technologie niezbędne dla przyszłego obserwatorium fal grawitacyjnych LISA.