Com a corrida espacial, um dos pontos marcantes da Guerra Fria entre os Estados Unidos e a União Soviética, o céu parou literalmente de ser o limite, ao menos para voos controlados. Em 1957, o soviético Sputnik 1 tornou-se o primeiro satélite artificial a orbitar a Terra, e em 1961, Yuri Gagarin tornou-se a primeira pessoa a viajar no espaço. Ele orbitou uma vez a Terra, e ficou no espaço por cerca de 108 minutos. Os Estados Unidos responderam com o lançamento de Alan Shepard ao espaço. A corrida espacial levou ao clímax da aviação, a primeira missão espacial à Lua, as missões Apollo. Em 1969, como comandante da missão Apollo 11, Neil Armstrong tornou-se a primeira pessoa a pisar na Lua.
Em 1994, o Boeing 777 fez seu primeiro voo. Foi o primeiro avião a ser totalmente desenhado e planejado com computadores. É atualmente o maior avião bijato do mundo. O Boeing 777 e o quadrijato Airbus A340 são atualmente os aviões de maior alcance operacional do mundo, podendo percorrer mais de 16 mil quilômetros em um único voo.
Desde a década de 1970, aviões da aviação comercial e aeroportos passaram a ser um dos alvos preferidos de ataques terroristas. O pior destes ataques ocorreu em 2001, quando quatro aviões 767, duas da American Airlines e duas da United Airlines, foram utilizados nos Ataques de 11 de Setembro. Como uma consequência direta dos Ataques de 11 de Setembro, o número de pessoas viajando em aviões diminuiu bastante na maioria das linhas aéreas. Muitas delas enfrentaram grandes dificuldades financeiras nos anos que se seguiram. Os efeitos do ataque, apesar de minimizados, ainda persistem em várias linhas aéreas. O resultado da ameaça do terrorismo é a crescente tomada de medidas de segurança em aeroportos em geral.
Desde o início do século XXI, a aviação subsônica tem-se focalizado em tentar substituir o piloto por aeronaves controladas a distância ou mesmo por computadores. Em abril de 2001, um Global Hawk, um avião não-tripulado, voou de Edwards AFB nos Estados Unidos até a Austrália, sem escalas e sem reabastecimento. O voo tomou 23 horas e 23 minutos, e é o voo ponto-a-ponto mais longo já realizada por um veículo aéreo não tripulado. Em outubro de 2003, o primeiro voo totalmente autônomo sobre o Oceano Atlântico por uma aeronave controlada por computadores foi realizado.
Um dos Concordes da Air France (F-BTSC) sofreu um acidente em 25 de julho de 2000, onde um pneu estourou e seus restos foram aspirados pela turbina (o que causou um incêndio), fazendo o avião cair e chocar-se com um hotel, logo após sua decolagem em Gonesse, França. Até então o avião era considerado o avião comercial mais seguro do mundo. Passou por um processo de modernização até 2001, mas por causa de baixo número de passageiros e altos custos operacionais, parou de ser usado em voos comerciais em 24 de outubro de 2003. Atualmente, nenhum avião supersônico opera em voos comerciais.
O primeiro voo de um motoplanador em volta do mundo ocorreu em 2001. Foi realizado num AMT-100 Ximango de fabricação brasileira, pilotado pelo suíço-brasileiro Gérard Moss.
Em 2005, o Airbus A380 fez seu primeiro voo. É atualmente o maior avião comercial de passageiros do mundo, superando o Boeing 747, que havia detido o recorde por 35 anos. O Antonov An-225, de fabricação soviética, é o maior avião do mundo desde o seu primeiro voo, realizado em 21 de dezembro de 1988.
O transporte aéreo vem preocupando-se cada vez mais com a redução da poluição (sonora e atmosférica) além da contenção nos custos de operação. Nas primeiras décadas do século XXI, a eletrificação da propulsão aeronáutica (com motores elétricos acionados por baterias ou células de combustível, uso de biocombustíveis, hidrogênio, motorização híbrida, etc.) surge como possível solução para tais questões. A indústria aeronáutica passou a dar atenção ao desenvolvimento do avião elétrico e da aeronave híbrida elétrica.