Die dritte Phase von 1973 bis 1988 ist zum einen von der intensiveren Erforschung der Nachbarplaneten Mars und Venus, zum anderen von der Erkundung des äußeren Sonnensystems geprägt. Die für lange Zeit einzigen Vorbeiflüge an Merkur fanden mit Mariner 10 von 1973 bis 1975 statt. Daneben wurden weitere Missionen zur Venus und zum Mars durch die UdSSR durchgeführt. 1974 und 1976 machten sich die beiden Sonden Helios 1 und 2 auf den Weg Richtung Sonne. Die in Deutschland entwickelten Raumsonden wurden von den USA in Cape Canaveral gestartet und waren sechs bzw. elf Jahre erfolgreich in Betrieb. Besondere Bedeutung erlangten in diesen Jahren vor allem zwei Programme: Viking und Voyager.
Im Rahmen des amerikanischen Viking-Programms schickte die NASA 1975 zwei Sonden, jeweils bestehend aus Orbiter und Lander, zum Mars, die dort ein Jahr später ihre Arbeit aufnahmen und teilweise bis in die achtziger Jahre hinein Daten zur Erde sandten. Die Ergebnisse, vor allem die Fotokartierung der Marsoberfläche, sind noch heute unverzichtbares Grundlagenwissen über den Roten Planeten und dienen mit zur Vorbereitung zukünftiger Missionen.
Modell der Voyager-Sonden (© NASA/JPL-Caltech)
Ähnliche Bedeutung erlangte das Voyager-Programm. Die beiden baugleichen Voyager-Sonden starteten 1977 zur Erkundung des äußeren Sonnensystems. Zwischen 1979 und 1989 absolvierte Voyager 2 seine berühmte „Grand Tour“ mit Vorbeiflügen an den Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun und ihren jeweiligen Monden. Die beiden Voyager-Sonden haben 2024 etwa 20,5 und 24,5 Milliarden Kilometer Entfernung zur Sonne die Grenze zum interstellaren Raum erreicht. Trotz dieser enormen Distanz können wir noch immer ihre Signale empfangen. Das während des langen Fluges gewonnene Bildmaterial und die Messdaten stellen in Bezug auf das äußere Sonnensystem und dessen Grenze bis heute eine bedeutende und hinsichtlich Uranus und Neptun sogar eine einzigartige Wissensgrundlage dar. Die UdSSR setzte in dieser Phase ihr umfangreiches Venus-Programm mit Landungen, Oberflächenaufnahmen, Ballonsonden und Radarkartierungen fort. Venus wurde aber auch im Rahmen des US-amerikanischen Pioneer-Programms erkundet, ebenso wie später der Halleysche Komet, der bei seinem letzten Erscheinen im inneren Sonnensystem 1986 auch von mehreren Raumsonden aus Europa (Giotto), der UdSSR und Japan Besuch bekam. In diesen Jahren wurden neue oder modifizierte Sondentypen entwickelt, die jeweils eine höhere Nutzlastmasse zuließen; in der UdSSR ab Mars 2 bzw. Venera 9 und in den USA nach Mariner 10 mit Raumfahrzeugen eines modifizierten Mariner-Bauplans.