发展航天飞行的运载火箭，无疑是20世纪航天史上最重大的成就之一。自1957年10月4日，前苏联用“SS－6”洲际导弹改装成运载火箭将世界上第一颗人造地球卫星送入近地轨道，从此运载火箭作为航天运载工具正式登上历史舞台以来，前苏联、美国、法国、日本、欧盟等国家和地区竞相发展运载火箭，迄今已形成能适应各种航天发射需求的若干系列，并已走过它的两个里程碑。
第一个里程碑：用导弹改装
在运载工具的研制方面，最发达的国家是前苏联、美国、法国、中国、日本和印度。这些国家在运载工具的发展初期，为了抢时间，几乎都采用同一种发展模式，即用导弹稍加改装，使其适应不同卫星的发射需要。这个思路，首先是由前苏联的第一位航天总设计师卡拉廖夫提出来的。如前苏联第展一枚运载火箭，实际上只是将“SS－6”洲际导弹的弹头改换成卫星，火箭全长29．2米，最大外径10．3米，起飞重量269吨，起飞推力3900千牛，这是当时世界上最大的运载火箭。
后来，将这种运载火箭作为芯级在其外侧捆绑4个助推器，而分别形成发射卫星和发射前苏联最早的3个“月球号”宇宙探测器的“卫星”型和“宇宙”型两级运载火箭系列。
在此基础上，再在芯级火箭的上面，装上一个具有不同推力的第三级火箭，又形成发射“东方号”飞船和“上升号”飞船用的“东方型”三级运载火箭系列。前苏联在20世纪60年代继“东方”型运载火箭之后还发展了一种“联盟”型三级运载火箭系列，起飞重量310吨，其进入近地轨道的最大有效载荷达到7吨。
从1966年起，前苏联利用“联盟”型运载火箭先后发射了“宇宙号”系列的部分人造地球卫星，“联盟号”和“联盟T号”飞船以及“进步号”货运飞船。后来，在“联盟”型运载火箭基础上再增加一个推力为67千牛的液体火箭发动机作为第4级，即形成“闪电号”运载火箭，先后发射了“月球-4”至“月球-14”，“闪电”、“探测器-1”到“探测器-3”、“火星-1”，以及“金星-1”到“金星-8”等宇宙探测器。
“雷神”是美国的一种地地中程导弹，长19．8米，弹径2．44米，射程2400～3200公里。“雷神”导弹于1963年4月退役后，被用作运载火箭的第一级（芯级），下部捆绑固体助推器，顶部串联不同的上面级，先后发展过20多个型号，形成了一个较完整的运载火箭系列。
“宇宙神”是美国最早发展的一种液体洲际弹道导弹，射程l．8万公里以上，总推力为l．7兆牛顿（176吨力）。1959年装备部队，1965年被“民兵”洲际导弹取代后被用作运载火箭的芯级，与不同的上面级组合形成运载火箭系列。
“大力神”导弹是美国的另一种液体洲际弹道导弹，它的研制时间比“宇宙神”晚一年多。共发展了两种型号：“大力神5”射程11700公里，1962年4月装备部队，1965年全部退役。“大力神2”射程13400公里，1963年开始装备部队，直到1987年才全部退役。退役后也被改装成运载火箭系列。
第二个里程碑：研制新型火箭
20世纪60年代，前苏联为了发射“礼炮号”轨道站，专门研制了一种“质子号”运载火箭。这是一种串并联式的多级运载火箭，第一级安装6台单燃烧室液体火箭发动机，总推力达9兆牛。第二级为4台每台推力为6兆牛的单燃烧室液体火箭发动机。第三级除一台同类型的液体火箭发动机外，还安装了一台操舵液体火箭发动机，它有4个旋转室，可操纵末级的飞行方向及其姿态控制。
前苏联专家认为，该火箭的总体布局各级的发动机装置结构以及箭上各系统均采用了前苏联火箭制造业的先进成果，因而运载火箭的使用性能优于同级的美国“土星1B”。
“质子号”运载火箭于1965年投入使用以来，除发射“礼炮号”轨道站外，还成功地发射了“质子-4号”宇宙飞船。后来在3级运载火箭基础上，又加了一级推力为83千牛的第4级，曾将“探测器-4号”至“探测器-8号”、“月球-15号”至“月球-24号”、“金星-9号”至“金星-16号”、“火星-2号”至“火星-7号”等探测器，以及“虹”、“荧光屏”、“地平线”、“宇宙号”等系列卫星送入太空。
从发射的结果来看，“质子号”称得上是一种具有高可靠性的、有多种发射功能的运载工具，成功率约为93%。现已成为一种为商业性服务的运载火箭。
20世纪70年代，前苏联为发射“暴风雪号”航天飞机，专门研制“能源号”运载火箭。这是一种两级重型运载火箭（由于这两级在起飞时同时点火，故又称一级半）。
第一级由4个捆绑助推器组成，推进剂为液氧／煤油。由于这种两级“能源号”火箭只能把重型有效载荷送入低地球轨道（芯级只能作亚轨道飞行），要把有效载荷送入高地球轨道或逃逸轨道还需再加一级，所以研制了两种新的辅助级，即上面级（EUS）及制动和修正级（RCS）。
这两种辅助级是单独使用还是一起使用，取决于执行的任务。正是由于“能源号”采取了积木式的设计，它既具有发射大型低轨道有效载荷（105吨）和航天飞机的能力，又具有将10吨以上有效载荷送入地球同步轨道或飞往月球和行星轨道的能力。其中，同步轨道运载能力约为18吨，月球轨道运载能力为32吨，火星和金星轨道的运载能力为28吨。
1988年11月15日“能源号”火箭成功地将“暴风雪号”不载人航天飞机送入亚轨道，在160公里高度上启动航天飞机上的发动机，将“暴风雪号”助推到入轨速度，然后机上发动机再次启动，把“暴风雪号”送上250公里的圆形轨道。迄今为止，“能源号”是世界上运载能力最大的火箭。
20世纪60年代，美国为执行“阿波罗”登月计划，专门研制了“土星”型运载火箭系列。主要有“土星1”、“土星1B”和“土星V”等几种型号。其中，“土星1”为一种试验型的两级运载火箭，第一级运载装置由8台“H－1”液体火箭发动机组成，总推力为7兆牛；第二级由6台总推力为408千牛的液体火箭发动机组成。入轨高度185公里时的最大有效载荷为10.2吨。为了改进“土星”火箭及确定“阿波罗”飞船的总体方案，“土星1”于1961年至1965年从卡纳维拉角共发射10次，其中有5次把“阿波罗”飞船的主体模型发射入轨。
“土星1B”是为在近地轨道操练载人和不载人的“阿波罗”飞船而研制的。它也是两级运载火箭，第一级和第二级均为“土星1”的改进型，但在第二级配备了一台用液氧／液氢作推进剂的J－2发动机，推力1．023兆牛。这样，使火箭在入轨高度为195公里时，最大有效载荷达到18．1吨。在1966-1975年间，“土星1B”在卡纳维拉尔共发射9次，均获成功。
“土星V”是专为在近地和近月轨道操试“阿波罗”飞船的全套设备，以及将航天员送往月球而研制的。由于“阿波罗”飞船总重达46吨，高25米，最大直径6．6米，要把这么重的飞船以第二宇宙速度将其送入月球轨道，以往任何一种运载火箭都无法胜任。
为此，专门研制的“土星V”三级运载火箭称得上是一个重量级的航天“大力士”，它全长85米，直径10米，起飞质量达2950吨，起飞推力达35211千牛，总功率约2亿马力，相当于200万辆普通大轿车功率的总和。运载火箭与“阿波罗”登月飞船组装在一起后，高达110米，相当于36层楼房高。
从1967～1973年间，“土星V”从卡纳维拉尔角共发射13次，其中有10次是运载“阿波罗”载人飞船进入预定轨道。为了抗衡前苏联和美国在航天领域的强大发展势头，1972年法国建议西欧10国联合组成欧洲航天局（ESA），共同研制“阿丽亚娜”运载火箭。1973年7月研制计划获得批准。法国空间研究中心（CNES）负责“阿丽亚娜”火箭的计划管理，航空航天公司负责总装。
迄今，“阿丽亚娜”运载火箭系列已发展了从“阿丽亚娜1”至“阿丽亚娜V”共5个型号。
“阿丽亚娜1”为三级液体运载火箭，该火箭长50米带有效载荷），直径3．8米，发射质量200吨，进入远地点36000公里高度过渡轨道的有效载荷为1700公斤。
“阿丽亚娜2”是在“阿丽亚娜1”基础上将第一、第二推力通过增加发动机燃烧室压力而增加9%，第三级通过加大推进剂数量而延长了燃烧时间，这样，使进入地球同步轨道的运载能力达到2200公斤。
“阿丽亚娜3”是在“阿丽亚娜2”基础再装两枚固体推进器组成，使进入地球同步轨道的运载能力增加到2600公斤，1984年8月首次发射，成功地将两颗通信卫星送入转移轨道。
1982年1月开始研制的“阿丽亚娜4”除将“阿丽亚娜3”的第二、三级稍加改进外，还重新研制了新的液体火箭发动机，4米直径的整流罩和多星发射装置等，并组合成6种不同的型号，其进入地球同步轨道的运载能力，基本型号（AR40）为1900公斤，最大型号（AP44L）高达4200公斤。
为了争夺运载火箭发射市场，日本成立了包括三菱重工、日产汽车和日本电气等著名公司在内的75家公司联合组成的火箭系统股份有限公司，一方面着重对如何降低成本，进一步保持火箭的高可靠性抓紧研究；另一方面正在努力争取放宽发射期限和考虑与“阿丽亚娜”火箭的兼容，借此在日本和世界赢得市场。
1994年2月4日，“H－2”火箭从鹿儿岛县的种子岛宇宙中心首次发射成功，标志着日本的火箭技术已可与欧洲的“阿丽亚娜”火箭和美国的航天飞机技术几近并驾齐驱，它将为日本跻进世界卫星发射市场奠定基础。另外，为了适应国际市场小卫星的发射需要；争取在短时间内能开发出一种低成本的火箭，促使昔日为竞争对手的宇宙开发事业团和宇宙科学研究所，于1992年联手，共同开发一种三级固体火箭（JI）。第一级采用“H－2”的固体助推器，第二、三级和整流罩则均为“M－3S”火箭的原件。只有第一、第二两级的级间过渡段和第一级的两台游动小发动机等为数不多的部件是新开发的。这样，通过两家公司的“火箭技术对接”，取长补短，使日本的火箭家族在20世纪末又增添了一个新成员。
