Các cơ sở của NASA là những trung tâm nghiên cứu, xây dựng và thông tin liên lạc hỗ trợ cho các nhiệm vụ phóng. Một vài cơ sở từng phục vụ nhiều mục đích vì các lý do lịch sử và quản trị. NASA cũng quản lý một tuyến đường sắt ngắn ở Trung tâm không gian Kennedy và những máy bay đặc biệt, ví dụ hai máy bay Boeing 747 dùng để vận chuyển các tàu con thoi.

Trung tâm Không gian John F. Kennedy (KSC), là một trong những cơ sở nổi tiếng nhất của NASA. Nó là nơi phóng các chuyến bay có người lái của Hoa Kỳ kể từ 1968. Mặc dù các chuyến bay như thế hiện tại đang tạm dừng, trung tâm Kennedy vẫn quản lý và điều hành các chương trình không gian của Hoa Kỳ từ ba bệ phóng gần căn cứ không quân mũi Canaveral.

Trung tâm Không gian Lyndon B. Johnson (JSC) ở Houston là nơi đặt Trung tâm điều khiển Christopher C. Kraft Jr., nơi mọi sự kiểm soát chuyến bay được quản lý cho các phi vụ có người lái. JSC là trung tâm chỉ huy của NASA cho các hoạt động trên Trạm Vũ trụ Quốc tế và cũng là nơi tuyển chọn, đào tạo các phi hành gia tương lai cho Hoa Kỳ cũng như các phi vụ quốc tế.

Một cơ sở lớn khác là Trung tâm Bay Không gian Marshall ở Huntsville, Alabama mà tại đây tên lửa Saturn 5 và trạm Skylab đã được chế tạo.[130] JPL phối hợp với ABMA, một trong những cơ quan đứng đằng sau Explorer 1, phát triển phi vụ bay không gian đầu tiên của Hoa Kỳ.

Mười trung tâm chính của NASA là:

• Trung tâm Không gian John F. Kennedy, Florida
• Trung tâm Nghiên cứu Ames, Moffett Field, California
• Trung tâm Nghiên cứu Bay Armstrong (trước đây là Trung tâm Nghiên cứu Bay Hugh L. Dryden), Edwards, California
• Trung tâm Bay Không gian Goddard, Greenbelt, Maryland
• Phòng thí nghiệm Sức đẩy phản lực, gần Pasadena, California
• Trung tâm Không gian Lyndon B. Johnson, Houston, Texas
• Trung tâm Nghiên cứu Langley, Hampton, Virginia
• Trung tâm Nghiên cứu John H. Glenn, Cleveland, Ohio
• Trung tâm Bay Không gian George C. Marshall, Huntsville, Alabama
• Trung tâm Không gian John C. Stennis, Bay St. Louis, Mississippi

Có nhiều cơ sở hoạt động khác cũng do NASA quản lý, bao gồm Cơ sở Bay Wallops ở đảo Wallops; Cơ sở lắp ráp Michoud ở New Orleans, Louisiana; Cơ sở Thí nghiệm White Sands ở Las Cruces, New Mexico; và các trạm tín hiệu vệ tinh Deep Space Network ở Barstow, California; Madrid, Tây Ban Nha; và Canberra, Australia.