Vào giai đoạn này, cuộc chay đua vũ trang giữa Mỹ và Liên Xô trở nên gay gắt và quyết liệt hơn.

Vũ khí hạt nhân

Đáng đề cập ở đây là sự thành công trong việc điều chế bom nhiệt hạch - hay còn gọi là bom H (với sức công phá có thể đạt gấp 1000 lần bom nguyên tử) của Liên Xô, chưa đầy 1 năm sau khi Mỹ cho nổ thử quả bom H đầu tiên. Trong khoảng 1954-1958, 19 quả bom H được Mỹ thử nghiệm. Đây là sự đe dọa tàn phá toàn cầu bởi vũ khí hạt nhân.

Tên lửa liên lục địa

Nói chung, Mỹ thua Liên Xô ở công nghệ tên lửa. Liên Xô đã hoàn thành tên lửa liên lục địa (thường chứa đầu đạn hạt nhân) có thể bắn tới Mỹ chỉ trong 30 phút, với công nghệ thời bấy giờ thì Mỹ không thể đánh chặn loại vũ khí này. Lúc này Mỹ vẫn chưa có tên lửa liên lục địa, nếu muốn thâm nhập lãnh thổ của Liên Xô thì các máy bay Mỹ phải bay nhiều giờ và phải vượt qua hàng phòng thủ của Xô Viết với các tên lửa đất đối không. Vào tháng 5 năm 1960, Liên Xô hạ một chiếc máy bay U-2 (máy bay thám thính) của Mỹ trên bầu trời Xô Viết.

Công nghệ vũ trụ

Vào 4 tháng 10 năm 1957, Liên Xô đã phóng thành công Sputnik 1, vệ tinh nhân tạo đầu tiên vào quỹ đạo Trái Đất, khởi đầu cuộc chạy đua vào vũ trụ[90]. Vì các tiềm năng quân sự và kinh tế, Sputnik đã gây nên hoảng sợ và các tranh luận về chính trị ở Hoa Kỳ, làm cho chính quyền Eisenhower đưa ra một số chương trình, trong đó có cả việc thành lập NASA. Cùng lúc đó, sự kiện Sputnik được nhìn nhận tại Liên Xô như một dấu hiệu quan trọng về khả năng khoa học kỹ thuật của quốc gia.

Ở Liên Xô, vụ phóng Sputnik và chương trình thám hiểm vũ trụ kế tiếp đã thu hút được sự ủng hộ của công chúng. Đối với một đất nước chỉ vừa hồi phục sau chiến tranh đó là một điều quan trọng và đầy khích lệ để thấy được sức mạnh khoa học kĩ thuật trong thời đại mới. Liên Xô cũng là nước đầu tiên đưa động vật vào quỹ đạo Trái Đất, con chó tên là Laika (tiếng Anh, "Barker"), đã du hành trong vệ tinh Sputnik 2 của Liên Xô vào năm 1957.

Ngày 12 tháng 4 năm 1961, phi hành gia Liên Xô Yuri Gagarin trở thành người đầu tiên của nhân loại bay vào vũ trụ trên chuyến bay kéo dài 1 giờ 48 phút cùng con tàu Vostok 1. Khi hạ cánh ở một nông trang, Gagarin gặp một bà già, anh nói: "Bác đừng hoảng sợ. Con là một người Xô Viết!". Câu nói của Gagarin thể hiện niềm tự hào về đất nước Xô viết, song anh đã trở thành anh hùng - không chỉ ở Liên Xô mà trên toàn thế giới[91].

Tiếp theo đó, Liên Xô cũng đạt được nhiều thành tựu khác:

• Tiếp sau Gagarin là phi hành gia Gherman Titov với chuyến bay kéo dài 25 giờ, Titov là người đầu tiên ngủ trong không gian vũ trụ.
• Ngày 16 tháng 6 năm 1963, Valentina Tereshkova là người phụ nữ đầu tiên bay vào vũ trụ.
• Ngày 18 Tháng 3 năm 1965, phi hành gia Alexei Leonov bước ra khỏi tàu vũ trụ Voskhod 2, trở thành người đầu tiên đi bộ ngoài không gian vũ trụ.
• Ngày 3 tháng 2 năm 1966, tàu thám hiểm không người lái Luna-9 đã trở thành tàu vũ trụ đầu tiên hạ cánh trên mặt trăng.
• Ngày 1 tháng 3 năm 1966, Venera 3 của Liên Xô trở thành tàu vũ trụ đầu tiên hạ cánh trên một hành tinh khác - Sao Kim.
• Ngày 17 tháng 11 năm 1970, Lunokhod 1 đã trở thành chiếc xe tự hành đầu tiên được điều khiển từ Trái Đất để đến một hành tinh khác. Nó đã tiến hành phân tích bề mặt của Mặt Trăng và gửi hơn 20.000 bức ảnh về Trái Đất.

Ở Mỹ, song song với việc đầu tư vào công nghệ không gian như phát triển vệ tinh v.v. Mỹ cũng có những kế hoạch bí mật phát triển các khinh khí cầu gián điệp, đĩa bay (Kế hoạch Mogul...) Vệ tinh do thám đầu tiên đã được không quân Hoa Kỳ phóng lên vào tháng 6 năm 1959. Vào ngày 7 tháng 8 năm 1959, vệ tinh Explorer 6 của NASA đã gửi về những bức ảnh đầu tiên của Trái Đất chụp từ ngoài không gian. Hoa Kỳ cũng là nước đầu tiên phóng vệ tinh khí tượng vào vũ trụ, khi vệ tinh TIROS-1 được phóng vào không gian bởi NASA vào ngày 1 tháng 4 năm 1960. Vào tháng 12 năm 1968, Hoa Kỳ dẫn đầu trong cuộc đua lên mặt trăng khi James Lovell, Frank Borman và Bill Anders bay vòng quanh Mặt Trăng. Họ trở thành những người đầu tiên ăn mừng Giáng sinh trong không gian và vài ngày sau đó hạ cánh an toàn. Người Mỹ Neil Armstrong trở thành người đầu tiên bước trên bề mặt của Mặt Trăng vào 21 tháng 7 năm 1969. Những bình luận viên xã hội đều công nhận việc hạ cánh lên Mặt Trăng là một trong những khoảnh khắc mang tính biểu tượng nhất của thế kỉ 20, và lời nói của Armstrong trong lần đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng đã được ghi vào lịch sử: "Đây là bước chân nhỏ bé của một con người, nhưng là bước tiến khổng lồ của cả nhân loại"

Sau khi cuộc đua lên mặt trăng kết thúc, Liên Xô và Mỹ chuyển sang cạnh tranh trong việc nghiên cứu xây dựng các trạm cư trú lâu dài trong vũ trụ. Ngày 19 tháng 4 năm 1971, trạm không gian Salyut 1 của Liên Xô trở thành Trạm không gian đầu tiên trong lịch sử loài người. Chương trình Salyut có vai trò quan trọng đối với sự phát triển công nghệ các trạm không gian từ cơ bản, giai đoạn phát triển kỹ thuật, từ trạm lắp rắp một cổng đến phức tạp - đa cổng, thành tiền đồn dài hạn trên quỹ đạo với năng lực khoa học ấn tượng, công nghệ này tiếp tục được kế thừa cho đến nay.

Bước sang thập niên 1980, cuộc chạy đua vào không gian trở nên chậm lại. Vào ngày 12 tháng 4 năm 1981, Hoa Kỳ đã phóng lên tàu vũ trụ có thể tái sử dụng đầu tiên (tàu con thoi) nhân dịp kỉ niệm 20 năm chuyến bay của Gagarin. Sau cái chết của Korolyov, chương trình không gian của Liên Xô được cấp ít kinh phí hơn, họ chỉ cố gắng duy trì thế cân bằng với Hoa Kỳ. Cách tổ chức không hiệu quả và việc thiếu ngân sách đã làm họ mất đi lợi thế ban đầu trong cuộc chạy đua. Một số quan sát viên cho rằng giá thành của cuộc chạy đua vũ trụ, cùng với cuộc chạy đua vũ trang cũng hết sức đắt, cuối cùng đã làm hệ thống kinh tế Liên Xô rơi vào trì trệ vào thập niên 1980 và là một trong những yếu tố dẫn tới sự tan rã của Liên Xô. Đến cuối thập niên 1980, với sự tan băng trong quan hệ Mỹ - Liên Xô, 2 bên bắt đầu chuyển từ cạnh tranh sang hợp tác, cùng nhau triển khai một số dự án nghiên cứu chung về du hành vũ trụ.