Sao Diêm Vương đặt ra những thách thức to lớn cho con tàu vũ trụ bởi khối lượng nhỏ và khoảng cách xa từ Trái Đất. Voyager 1 đáng lẽ đã có thể tới Sao Diêm Vương, nhưng những người điều khiển thay vào đó đã chọn một chuyến bay ngang qua vệ tinh Titan của Sao Thổ khiến nó không thể có quỹ đạo ngang qua Sao Diêm Vương. Voyager 2 cũng không thể có quỹ đạo hợp lý để tới Sao Diêm Vương.[92] Trước thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20 chưa hề có một nỗ lực thực sự nào nhằm thám hiểm Sao Diêm Vương. Tháng 8 năm 1992, nhà khoa học Robert Staehle của JPL đã gọi điện cho người phát hiện Sao Diêm Vương, Clyde Tombaugh, yêu cầu cho phép viếng thăm hành tinh của ông. "Tôi đã nói rằng ông ta được chào đón ở đó," Tombaugh sau này nhớ lại, "dù ông ta sẽ phải có một chuyến bay dài và lạnh giá."[93] Dù đã có khoảnh khắc sớm này, năm 2000, NASA đã hủy bỏ phi vụ Pluto Kuiper Express, với các lý do chi phí gia tăng và những chậm trễ trong việc chế tạo phương tiện phóng.[94]

Sau một cuộc chiến chính trị căng thẳng, một phi vụ mới tới Sao Diêm Vương, với cái tên New Horizons, đã được chính phủ Hoa Kỳ cung cấp chi phí năm 2003.[95] New Horizons được phóng thành công ngày 19 tháng 1 năm 2006. Lãnh đạo sứ mệnh, S. Alan Stern, xác nhận rằng một số tro từ thi hài Clyde Tombaugh, đã mất năm 1997, đã được đặt trên con tàu.[96]

Đầu năm 2007 lợi dụng hỗ trợ hấp dẫn từ Sao Mộc. Lần tiếp cận gần nhất của nó tới Sao Diêm Vương đã diễn ra ngày 14 tháng 7 năm 2015; những quan sát khoa học với Sao Diêm Vương sẽ bắt đầu từ năm tháng trước cuộc tiếp cận gần và sẽ tiếp tục ít nhất một tháng sau lần gặp mặt. New Horizons đã chụp những bức ảnh đầu tiên (từ xa) về Sao Diêm Vương hồi cuối tháng 9 năm 2006, trong cuộc thử nghiệm thiết bị Long Range Reconnaissance Imager (LORRI).[97] Các bức ảnh, được chụp từ khoảng cách xấp xỉ 4.2 tỷ km, xác nhận khả năng thám sát các mục tiêu xa của tàu vũ trụ, khả năng cần thiết để tiến tới gần Sao Diêm Vương và các vật thể khác trong Vành đai Kuiper.

New Horizons sẽ sử dụng một gói cảm biến từ xa gồm các thiết bị hình ảnh và thiết bị radio khảo sát khoa học, cũng như máy quang phổ và các thiết bị khác, để xác định địa chất và hình thái của Sao Diêm Vương cùng vệ tinh Charon của nó, vẽ bản đồ thành phần bề mặt hai vật thể và phân tích khí quyển trung tính của Sao Diêm Vương cùng tỷ lệ tốc độ thoát của nó. New Horizons cũng sẽ chụp ảnh bề mặt Sao Diêm Vương và Charon.

Sự khám phá các vệ tinh Nix và Hydra có thể đặt ra những thách thức chưa được dự tính với tàu vụ trụ. Những vụn rác từ các vụ va chạm giữa các vật thể trong Vành đai Kuiper và các vệ tinh nhỏ hơn, với tốc độ thoát khá nhỏ của chúng, có thể tạo ra một vòng đai rác mảnh. Nếu New Horizons phải bay qua một vòng đai như vậy, nhiều khả năng vi thiên thạch có thể gây hư hại cho con tàu.[85]