Die vierte Phase beginnt 1989 und hat zwei Schwerpunkte: einerseits Start und Betrieb großer Raumsonden wie Magellan, Galileo oder Cassini/Huygens, andererseits die Durchführung kleiner, hochspezialisierter Missionen. Dabei bezieht sich die Größeneinschätzung sowohl auf die Masse der Raumfahrzeuge als auch auf die Kosten, Entwicklungs- und Betriebszeiten der Mission.
Herausragend dabei waren Galileo als aufwändige Langzeitmission zur Erkundung des Jupitersystems (Start 1989, Missionsende 2003) und Mars Pathfinder mit dem Rover Sojourner als spezialisierte Mission, um ein weiches Aufsetzen mit Airbags anstelle von Bremstriebwerken zu demonstrieren (geschehen am 4. Juli 1997 auf dem Mars). Die Bilder beider Missionen stießen auf ein überwältigendes öffentliches Interesse und trugen wesentlich zur allgemeinen Beliebtheit der planetaren Raumfahrt und ihrer Ergebnisse bei. Bis heute folgten drei weitere Rover-Missionen mit insgesamt vier Marsfahrzeugen.
Um die Jahrtausendwende sind im Wesentlichen drei Schwerpunkte sichtbar geworden und markieren damit den Beginn der jüngsten aktuellen Phase der internationalen Planetenforschung: 1. die intensive und langfristige Erkundung des Mars, 2. die Erforschung der kleinen Körper des Sonnensystems und 3. die Erkundung der Eismonde im äußeren Sonnensystem sowie Pluto. Die weitere Erforschung des Erdmondes, seine zukünftige Nutzung und eine mögliche Rückkehr mit Menschen zum Erdtrabanten wird derzeit von den allen Raumfahrtnationen der Welt verfolgt. Ebenso rücken Ziele in den Vordergrund, die bisher nur wenig erforscht wurden. Dazu zählen der Planet Merkur, die Zwerg-planeten und etliche kleinere und größere Asteroiden. Pluto, der bekannteste Zwergplanet, galt lange Zeit als letzter „weißer Fleck“ unter den großen Körpern des Sonnensystems, ehe die NASA-Sonde New Horizons im Juli 2015 an ihm und seinen Monden nah vorbeiflog und verblüffende Daten zur Erde sandte. Wie auch später beim Vorbeiflug am Kuipergürtel-Objekt Arrokoth war nicht damit gerechnet worden, dass sich in dieser kalten Region des Sonnensystems derart komplexe Oberflächenstrukturen herausgebildet haben.
Insgesamt nahm im neuen Jahrtausend die Zahl der Planetenmissionen wieder zu. Die Miniaturisierung von Kameras und Messinstrumenten sowie die Möglichkeiten zur Verarbeitung großer Datenmengen bereits an Bord der Sonden führte zu enormen Fortschritten.
Die europäische Technologie-Testsonde SMART-1, die zwischen November 2004 und Mitte 2006 den Mond umrundete und deren Mission mit einem gezielten Einschlag auf der Mondoberfläche endete, bildete den Auftakt zu einer intensiven Erforschung unseres Erdtrabanten. Innerhalb kurzer Zeit folgten Mondmissionen aus Japan, Indien und China. Die USA verbesserten die Datengrundlage für die Kartierung des Mondes seit 2009 mit dem Lunar Reconnaissance Orbiter deutlich. Der Mond wird für einige der raumfahrenden Nationen und Agenturen auch weiterhin einen hohen Stellenwert haben, da er leicht erreichbar ist und wissenschaftlich nach wie vor ein lohnendes Ziel darstellt. Für die Planetenforschung sind hierbei vor allem eine bessere Kenntnis der Mondrückseite von Interesse sowie Gesteinsproben von bisher nicht erforschten Stellen. Spezielle Roboterfahrzeuge mit automatisierter Probenentnahme könnten bei Mondmissionen zum Einsatz kommen. Eine Rückkehr des Menschen zum Mond soll noch in diesem Jahrzehnt im Rahmen des Artemis-Programms der NASA erfolgen.
Innerhalb der Erdbahn umkreiste die europäische Sonde Venus Express von 2006 bis 2014 unseren Nachbarplaneten. Von 2011 bis 2015 befand sich MESSENGER, eine 2004 gestartete Mission des Discovery-Programms der NASA, in einer Umlaufbahn um den Merkur und ermöglichte erstmals eine globale Charakterisierung und Bildaufnahme des innersten Planeten. Im Oktober 2018 folgte ihr die europäisch-japanische Mission BepiColombo, die ab Dezember 2025 mindestens ein Jahr lang den Merkur erforschen wird.
Rosetta und Philae am Kometen 67P, künstlerische Darstellung. (© ESA/ATG medialab; Comet image: ESA/Rosetta/Navcam)Die Erkundung der kleinen Körper unseres Sonnensystems stellt einen zusätzlichen Eckpunkt dar. Die Mission Stardust hat zu Jahresbeginn 2006 erfolgreich Staub aus dem Schweif des Kometen 81P/Wild 2 zur Erde zurückgebracht. Auch die japanische Sonde Hayabusa kehrte 2010 trotz zahlreicher technischer Probleme mit Probenmaterial vom Asteroiden Itokawa zur Erde zurück. Ende des Jahres 2014 flog die Nachfolgemission Hayabusa2 zum Asteroiden Ryugu, um Proben zu entnehmen, die sie 2019 zur Erde zurückbrachte. Mit an Bord befand sich der am DLR entwickelte Lander MASCOT, der Messungen und Bildaufnahmen auf der Oberfläche vornehmen konnte. Das Mutterschiff soll 2031 einen weiteren Asteroiden besuchen.
Ein sehr großer Erfolg war der 2007 gestarteten NASA-Mission Dawn beschieden. Sie erreichte 2011 den Asteroiden Vesta und erforschte ihn aus drei unterschiedlich hohen Umlaufbahnen, ehe sie im August 2012 zum Zwergplaneten Ceres weiterflog. Es ist die erste Raumsonde, die jenseits der Erde an zwei verschiedenen Körpern des Sonnensystems in eine Umlaufbahn gelenkt wurde. Die Mission endete 2018.
Ein Highlight der Planetenforschung war die 2004 gestartete europäische Rosetta-Mission zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, den sie Mitte 2014 und aus einer Umlaufbahn beobachtete. Im November 2014 setzte sie den Lander Philae auf dem Kometenkern ab. Rosetta lieferte bis September 2016 eine Flut an verblüffenden Bildern und neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen.
Die OSIRIS-REx-Mission der NASA wurde 2016 zum Asteroiden 1999 RQ36 (Bennu) gestartet, um ihn ab Sommer 2018 zunächst aus einer Umlaufbahn zu charakterisieren und anschließend von seiner Oberfläche eine Probe zu entnehmen. Nachdem die Rückkehrkapsel am 24. September 2023 in hunderttausend Kilometer Erddistanz für den Rücksturz zur Erde freigelassen wurde, fliegt das Mutterschiff unter dem neuen Namen OSIRIS-APEX zum Asteroiden Apophis weiter, den sie im April 2029 nach dessen Nahbegegnung mit der Erde erreichen und für anderthalb Jahre studieren soll.
Im äußeren Sonnensystem war die Cassini/Huygens-Mission, zur Erkundung des Saturnsystems mit 18 Experimenten bestückt, seit ihrer Ankunft am Ringplaneten im Sommer 2004 ein ganz besonderes Projekt der Planetenforschung. Die Raumsonde lieferte mehr als 13 Jahre lang große Datenmengen aus der Welt des Saturn, die das Wissen über das äußere Sonnensystem auf eine völlig neue Grundlage stellen. Besonders komplex im Hinblick auf das Missionsszenario, aber auch spannend und wissenschaftlich hochinteressant war der Abstieg der Landesonde Huygens durch die Atmosphäre des Saturnmondes Titan im Januar 2005 mit der anschließenden weichen Landung auf seiner eisigen Oberfläche. Die Cassini-Mission endete im September 2017 mit dem Eintritt in die Saturnatmosphäre und dem Verglühen der Raumsonde.