Từ năm 1946, Ủy ban Cố vấn Hàng không Quốc gia (NACA) đã thực hiện thử nghiệm máy bay tên lửa như loại siêu thanh Bell X-1.[17] Đầu thập niên 1950, đã có thử thách đối với việc phóng một vệ tinh nhân tạo cho dự án năm Vật lý Địa cầu Quốc tế (1957–58). Người Mỹ tham gia vào thử thách này trong dự án Vanguard. Sau khi Liên Xô phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên (Sputnik 1) vào ngày 4 tháng 10 năm 1957, sự chú ý của Hoa Kỳ đã chuyển hướng tới những nỗ lực nghiên cứu không gian. Quốc hội Hoa Kỳ, bị cảnh báo bởi nhận thức về an ninh quốc gia và sự dẫn đầu về công nghệ (được biết đến là "khủng hoảng Sputnik"), ngay lập tức hối thúc và hành động nhanh chóng; Tổng thống Dwight D. Eisenhower và các cố vấn của ông tư vấn các biện pháp thận trọng hơn. Điều này đưa tới thỏa thuận cần thiết phải có một cơ quan liên bang mới dựa trên NACA để thực hiện mọi hoạt động phi quân sự trong không gian. Cơ quan nghiên cứu dự án tiên tiến DARPA đã được thành lập vào tháng 2 năm 1958 nhằm phát triển các công nghệ vũ trụ cho các ứng dụng quân sự.[18]

Ngày 29 tháng 7 năm 1958, Eisenhower ký thông qua Đạo luật Quốc gia về Hàng không và Không gian, thiết lập ra NASA. Khi chính thức đi vào hoạt động ngày 1 tháng 10 năm 1958, NASA sáp nhập nguyên toàn bộ cơ quan NACA đã có 46 năm hoạt động; với 8.000 nhân viên của nó, và ngân sách thường niên khi đó vào khoảng 100 triệu US$, ban đầu có ba phòng thí nghiệm chính (phòng thí nghiệm hàng không Langley, phòng thí nghiệm hàng không Ames, và phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực bay Lewis) và hai cơ sở thử nghiệm nhỏ.[19] Huy hiệu của NASA được tổng thống Eisenhower phê chuẩn vào năm 1959.[20] Các đơn vị của Cơ quan quân đội nghiên cứu tên lửa liên lục đại (Army Ballistic Missile Agency-ABMA) và Phòng thí nghiệm nghiên cứu của Hải quân Hoa Kỳ (United States Naval Research Laboratory) được chuyển về dưới sự quản lý của NASA. Những đóng góp quan trọng trong cuộc đua chạy đua vào không gian của NASA với Liên Xô đó là công nghệ từ chương trình tên lửa của Đức do Wernher von Braun đứng đầu, người mà lúc này đang làm việc cho cơ quan (ABMA), và ông tiếp tục ứng dụng các kỹ thuật trước đó của nhà khoa học người Mỹ Robert Goddard.[21] Các dự án nghiên cứu trước đây của không quân Hoa Kỳ[19] và nhiều chương trình không gian của ARPA cũng được chuyển giao cho NASA.[22] Tháng 12 năm 1958, NASA được giao quản lý Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, một đơn vị nghiên cứu theo hợp đồng của Học viện Công nghệ California.[19]