Nhiều tàu sân bay thuộc lớp Essex đã tham gia vào chương trình thám hiểm không gian có người của Hoa Kỳ như những tàu thu hồi các chuyến bay không và có người lái từ năm 1960 đến năm 1973.

Valley Forge là tàu thu hồi cho chuyến bay không người lái Mercury-Redstone 1A vào ngày 19 tháng 12 năm 1960. Chuyến bay vào không gian đầu tiên của một người Mỹ được thực hiện trên chuyến bay Mercury-Redstone 3, và được thu hồi bởi Lake Champlain vào ngày 5 tháng 5 năm 1961. Randolph thu hồi chuyến bay tiếp theo Mercury-Redstone 4 vào ngày 21 tháng 7 năm 1961, và nó cũng là tàu thu hồi chính cho chuyến bay Mercury-Atlas 6. Chuyến bay có người lái tiếp theo sau Mercury-Atlas 7 được vớt bởi Intrepid vào ngày 24 tháng 5 năm 1962; còn Kearsarge thu hồi hai chuyến bay Mercury cuối cùng: Mercury-Atlas 8 vào ngày 3 tháng 10 năm 1962 và Mercury-Atlas 9 vào ngày 16 tháng 5 năm 1963.[6]

Tiếp nối cho chương trình không gian Mercury, Chương trình Gemini được xúc tiến và những chiếc Essex đã góp phần tham gia. Lake Champlain thu hồi chuyến bay không người lái thứ hai Gemini 2 vào ngày 19 tháng 1 năm 1965; và Intrepid thu hồi chuyến bay có người lái đầu tiên Gemini 3. Wasp vớt đội bay trên chuyến bay Gemini 4 vào ngày 7 tháng 6, vào ngày 29 tháng 8, Lake Champlain vớt Gemini 5 sau tám ngày trong không gian. Vào tháng 12 năm 1965, Wasp lần đầu tiên trong lịch sử thu hồi hai tàu không gian trong vòng hai ngày: Gemini 6A vào ngày 16 và Gemini 7 vào ngày 18 tháng 12, sau chuyến bay gặp gỡ nhau trong không gian. Nó cũng thu hồi Gemini 9A vào ngày 6 tháng 6 năm 1966 và chuyến bay Gemini cuối cùng là Gemini 12 vào ngày 15 tháng 11.[7]

Việc sử dụng thành công tàu sân bay trong việc thu hồi tàu vũ trụ được tiếp nối cho chương trình Apollo. Vào ngày 26 tháng 2 năm 1966, Boxer đã thu hồi khoang chỉ huy của AS-201, chuyến bay thử nghiệm đầu tiên không người lái thử nghiệm khoang chỉ huy của tàu Apollo. Một chuyến bay thử nghiệm khoang chỉ huy khác dưới quỹ đạo, AS-202, được thu hồi vào tháng 8 bởi chiếc Hornet; chính khoang chỉ huy của chuyến bay này hiện đang được trưng bày trên tàu bảo tàng Hornet. Bennington đã thu hồi khoang chỉ huy của Apollo 4, chuyến bay đầu tiên không người lái sử dụng lực đẩy của tên lửa Saturn V, vào ngày 9 tháng 11 năm 1967.[8]

Mười một tháng sau đó, Essex thu hồi các phi hành gia của chiếc Apollo 7, chuyến bay có người đầu tiên trong chương trình Apollo, sau mười một ngày trong quỹ đạo quanh Trái Đất. Yorktown vớt các phi hành gia của chiếc Apollo 8 sau chuyến bay lịch sử vòng quanh Mặt Trăng vào tháng 12 năm 1968;[9] và Princeton vớt các phi hành gia của chuyến bay thứ hai đến Mặt Trăng, Apollo 10, vào tháng 5 năm 1969.[8]

Hornet tái tham gia vào chương trình khi thu hồi các phi hành gia của hai chuyến đổ bộ đầu tiên lên mật trăng: Apollo 11 vào tháng 7 [8] và Apollo 12 vào tháng 11 năm 1969.[10] Những bước đi đầu tiên trên mặt đất sau khi trở về từ Mặt Trăng của các phi hành gia Neil Armstrong, Edwin Aldrin và Mike Collins được đánh dấu trên sàn chứa máy bay trong phần triển lãm chương trình Apollo. Ba chuyến bay kế tiếp sử dụng các tàu đổ bộ tấn công làm nhiệm vụ hỗ trợ[11]; tuy nhiên, Ticonderoga đã vớt các phi hành gia của hai chuyến bay cuối cùng đến Mặt Trăng, Apollo 16[12] vào tháng 4 và Apollo 17 vào tháng 12 năm 1972.[13]

Trong giai đoạn hậu-Apollo, Ticonderoga một lần nữa đã hoạt động như là tàu thu hồi các phi hành gia của Skylab 2, chuyến bay có người đầu tiên đi đến Skylab, trạm vũ trụ đầu tiên của Hoa Kỳ trong quỹ đạo quanh Trái Đất, vào tháng 6 năm 1973.[14]