Een hoofdbestanddeel van de wetenschapsmissies van de ESA is ondergebracht in het Cosmic Vision programma, een reeks wetenschappelijke missies die door de ESA via competitie zijn uitgekozen, vergelijkbaar met NASA 's Discovery- en New Frontiers programma's. Het was de opvolger van de Horizon 2000 en Horizon 2000+ programma's die missies voortbrachten zoals Huygens, Rosetta en Gaia.
Elke wetenschapsmissie is onderverdeeld in twee categorieën: "Zon en zonnestelsel" missies die het zonnestelsel bestuderen, en "Astrophysics" missies die interstellaire astronomie bestuderen. Een soortgelijk programma gericht op aardobservatie, bekend als het Living Planet-programma, heeft verschillende "Earth Explorers" gelanceerd, zoals GOCE en Swarm, die individueel vele vormen van geowetenschappen dienen. Een aantal missies van ESA zijn ook gelanceerd en uitgevoerd buiten een programma, zoals het geval is met missies zoals Giotto, Ulysses en Mars Express.
Windprofielen voor geavanceerdere weersvoorspellingen. Het was de eerste satelliet die ESA gecontroleerd terug naar de aarde heeft laten vallen: na vijf jaar dienst viel Aeolus op 28 juli 2023 in de Atlantische Oceaan
Gezamenlijke ESA- JAXA missie gericht op de karakterisering van wolken en aërosolen samen met metingen van gereflecteerde en uitgezonden straling van het aardoppervlak.
Demonstratie van instrumenten en technologieën die zullen worden gebruikt voor toekomstige ruimtemissies, De sonde werd aangedreven door een ionenmotor.
Missie van het ESA Education Office met 31,7 km lange kabels die onder andere gebruikt kunnen worden voor voortstuwing en stabilisatie. Gedeeltelijk mislukt.
Gezamenlijke Inmarsat -ESA-missie om een geavanceerde geostationaire communicatiesatelliet te lanceren om Afrika, Azië en Europa te bedienen; de grootste ooit gebouwd door Europa.
Gezamenlijk ESA- GSA - geodesieproject om een inheems wereldwijd navigatiesatellietsysteem te creëren dat onafhankelijk is van de Russische GLONASS , Chinese Beidou en Amerikaanse GPS -systemen.
orbitermissie gericht op het observeren van de planeet Mars door middel van beelden met een hoge resolutie en het uitvoeren van onderzoek naar de interactie van de planeet met het zonnestelsel.
Gezamenlijke meteorologische missie van EUMETSAT en ESA om de tweede generatie Meteosat-satellieten te lanceren, waarvan er vier werden gelanceerd over een periode van elf jaar.
Gezamenlijke eerste generati EUMETSAT-ESA operationele meteorologische missie bestaande uit drie satellieten gelanceerd over een periode van twaalf jaar.
Microsatelliet-aardobservatie en demonstratiemissie voor technologie in een lage baan om de aarde, die dienst doet als de tweede vlucht in de Proba-serie.
Microsatelliet gericht op het in kaart brengen van landbedekking en vegetatiegroei over de hele aarde in tweedaagse cycli; de derde missie in de Proba-serie.
Mars-orbiter component van de ExoMars - astrobiologische missie, gericht op het observeren van methaan in de atmosfeer van de planeet voor aanwijzingen voor het vroeger- of huidige leven op Mars.
Voorgestelde exoplanetaire wetenschappelijke missie gericht op het rechtstreeks detecteren van aardachtige exoplaneten. Voorgesteld voor het Horizon 2000+-programma maar in 2007 geannuleerd.
Concept voor een vliegend hypersonisch ruimtevaartuig in samenwerking met Roscosmos. Voor onbepaalde tijd uitgesteld sinds 2012 vanwege de terugtrekking van Roscosmos uit het project.
Voorgesteld bemande ruimtevluchtprogramma rond een door CNES ontworpen herbruikbaar ruimtevliegtuig. Project geannuleerd in 1992 vanwege moeilijkheden bij het bereiken van financiële -en wetenschappelijke doelen.