Sinh học vũ trụ (Astrobiology) có từ nguyên từ tiếng Hi Lạp, ἄστρον, astron, "chòm sao, sao"; βίος, bios, "sự sống"; và -λογία, -logia, nghiên cứu. Các nhiều từ đồng nghĩa với sinh học vũ trụ. Một trong số đó là exobiology từ tiếng Hi Lạp Έξω, "bên ngoài"; Βίος, bios, "sự sống"; and λογία, -logia, nghiên cứu. Thuật ngữ exobiology được nhà sinh học phân tử Joshua Lederberg đặt ra. Exobiology được coi là có phạm vi nghiên cứu hẹp hơn, giới hạn ở việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất, trong khi đối tượng của sinh học vũ trụ rộng hơn và nó nghiên cứu mối liên hệ giữa sự sống và vũ trụ, bao gồm sự tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất, nhưng cũng gồm cả nghiên cứu sự sống trên Trái Đất, nguồn gốc, sự tiến hóa và các giới hạn của nó. Thuật ngữ exobiology có xu hướng bị thay thế bởi sinh học vũ trụ (astrobiology).

Một thuật ngữ khác được dùng trong quá khứ là xenobiology, ("sinh học về sự sống bên ngoài") từ này được nhà văn viết sách khoa học giả tưởng Robert Heinlein sử dụng lần đầu năm 1954 trong tác phẩm The Star Beast của mình.[31] Thuật ngữ xenobiology ngày này được dùng với một nghĩa hẹp hơn, có nghĩa là "sinh học dựa trên quá trình hóa học khác", bất kể là quá trình đó có nguồn gốc ngoài Trái Đất hay trên Trái Đất (có thể là nhân tạo). Vì các nhà khoa học đã tạo được các quá trình thay thế tương tự với các quá trình sống trong phòng thí nghiệm nên xenobiology ngày nay được coi là một lĩnh vực thực sự tồn tại.[32]

Dù đây là một lĩnh vực mới xuất hiện và đang phát triển, câu hỏi liệu sự sống có tồn tại ở đâu đó khác ngoài vũ trụ không là một giả thuyết có thể xác minh được và do đó thuộc về điều tra khoa học. Mặc dù nó từng được xem là không thuộc điều tra khoa học chính thống, sinh học vũ trụ đã dần trở thành một ngành nghiên cứu chính thức. Nhà khoa học hành tinh David Grinspoon gọi sinh học vũ trụ là một lĩnh vực của triết học tự nhiên, suy đoán những điều chưa biết dựa vào giả thuyết khoa học đã biết.[33] Sự quan tâm của NASA với sinh học vũ trụ bắt đầu lần đầu cùng với sự phát triển của Chương trình không gian Hoa Kỳ. Năm 1959, NASA cấp kinh phí cho dự án sinh học vũ trụ đầu tiên, và vào năm 1960, NASA thành lập Chương trình sinh học vũ trụ.[3][34] Năm 1971, NASA cấp kinh phí cho chương trình Tìm kiếm trí thông minh ngoài Trái Đất (SETI) để tìm kiếm các tần số radio trong phổ điện từ có khả năng là các tín hiệu do sự sống ngoài Trái Đất bên ngoài Hệ mặt trời gửi đi. Tàu thăm do Viking của NASA tới sao Hỏa phóng năm 1976 mang theo ba thí nghệm được thiết kế nhằm tìm kiếm các dấu hiệu khả dĩ về sự hiện diện của sự sống trên sao Hỏa. Tàu thăm dò sao Hỏa Pathfinder năm 1997 đã mang theo các thiết bị khoa học nhằm thực hiện các thăm dò cổ sinh vật học với hi vọng tìm được các hóa thạch vi khuẩn trong đá sao Hỏa.[35]

Vào thế kỷ 21, sinh học vũ trụ là trọng tâm của các tàu thám hiểm của NASA và Cơ quan vũ trụ châu Âu. Hội nghị châu Âu về sinh học vũ trụ diễn ra lần đầu tiên vào tháng 5 năm 2001 ở Italia,[36] và kết quả là Mạng lưới sinh học vũ trụ châu Âu,[37] và Chương trình Aurora.[38] Hiện nay, NASA đang điều hành Viện sinh học vũ trụ NASA và ngày có càng nhiều trường đại học ở Mỹ (ví dụ, University of Arizona, Penn State University, Montana State University – Bozeman, University of Washington, và Arizona State University),[39] Anh (ví dụ, The University of Glamorgan, Buckingham University, University of Central Lancashire),[40] Canada, Ireland, và Australia (ví dụ, The University of New South Wales)[41] đào tạo các chương trình bậc sau đại học về sinh học vũ trụ. Liên đoàn thiên văn quốc tế thường xuyên tổ chức các hội thảo quốc tế thông qua Ủy ban sinh học vũ trụ của mình.[42]

Các tiến bộ trong các lĩnh vực sinh học vũ trụ, thiên văn và sự khám phá về nhiều sinh vật có khả năng sinh sôi trong cá môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái Đất, đã dẫn tới suy đoán rằng sự sống có thể sinh sôi trên nhiều thiên thể khác ngoài vũ trụ. Một trọng tâm của nghiên cứu sinh học vũ trụ hiện tại là tìm kiếm sự sống trên sao Hỏa do sự gần gũi với Trái Đất và lịch sử địa chất của nó. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rằng trước đây sao Hỏa đã từng có một lượng nước đáng kể trên bề mặt; nước được coi là một tiền đề thiết yếu cho sự phát triển của sự sống dựa trên các-bon.[43]

Các chương trình thăm dò được thiết kế đặc biệt cho mục đích tìm kiếm sự sống bao gồm chương trình Viking và tàu thăm dò Beagle 2, cả hai đều hướng tới sao Hỏa. Các kết quả của Viking không chắc chắn lắm,[44] còn Beagle 2 thì thất bại trong việc truyền tín hiệu về và được cho là đã bị hỏng.[45] Một tàu thám hiểm tương lai chuyên về sinh học vũ trụ nữa có thể sẽ là Jupiter Icy Moons Orbiter nếu nó không bị hủy bỏ, được thiết kế để nghiên cứu về các mặt trăng băng của sao Mộc—một số trong các mặt trăng đó có thể sẽ có nước lỏng. Cuối năm 2008, tàu Phoenix đã thăm dò môi trường để đánh giá khả năng tồn tại trong quá khứ và hiện tại của sự sống vi sinh vật trên sao Hỏa, và để nghiên cứu lịch sử nguồn nước trên đó.

Vào tháng 11 năm 2011, NASA phóng tàu tự hành Phòng thí nghiệm khoa học sao Hỏa (MSL), tên khác là Curiosity, và nó đã hạ cánh ở hố thiên thạch Gale vào tháng 8 năm 2012.[46][47][48] Tàu tự hành Curiosity hiện đang thăm dò môi trường để đánh giá khả năng tồn tại trong quá khứ và hiện tại của sự sống vi sinh vật trên sao Hỏa. Vào ngày 9 tháng 12 năm 2013, NASA thông báo rằng, dựa trên bằng chứng từ tàu Curiosity thu được ở đồng bằng Aeolis Palus thì hố thiên thạch Gale đã từng có một hồ nước ngọt cổ đại có thể là môi trường thích hợp cho sự sống vi sinh vật.[49][50]

Cơ quan vũ trụ châu Âu hiện đang hợp tác với Cơ quan không gian liên bang Nga (Roscosmos) và đang phát triển tàu tự hành nghiên cứu sinh học vũ trụ ExoMars sẽ được phóng đi năm 2018.[51]