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 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 großes Interesse in der Öffentlichkeit und trugen wesentlich zur gestiegenen Popularität der planetaren Raumfahrt bei. Bis heute folgten drei weitere Rover-Missionen.

Um die Jahrtausendwende sind im Wesentlichen drei Schwerpunkte sichtbar geworden und markieren damit den Beginn der jüngsten aktuellen Phase in 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 von Jupiter und Saturn einschließlich Pluto. Die weitere Erforschung des Mondes, seine zukünftige Nutzung und eine mögliche Rückkehr mit Menschen zum Erdtrabanten wird insbesondere von den aufstrebenden asiatischen Raumfahrtnationen verfolgt. Auch Ziele, die bereits einige Zeit oder bisher völlig unerforscht waren, rücken in den Vordergrund. Dazu zählen Merkur, der Zwergplanet Ceres und der große Asteroid Vesta. Pluto, der zwischenzeitlich seinen Status als Planet verloren hat, stellte einen der letzten „weißen Flecken“ unter den großen Körpern des Sonnensystems dar, ehe die NASA-Sonde New Horizons im Juli 2015 einen nahen Vorbeiflug absolvieren konnte. Dabei wurden völlig neue Erkenntnisse über Pluto und die fernen Kuipergürtel-Objekte gewonnen. So 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, stellte gewissermaßen den Auftakt zu einer intensiven Erforschung unseres Erdtrabanten dar. 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 bei einigen der raumfahrenden Nationen und Agenturen auch weiterhin einen hohen Stellenwert haben, da er ein leicht erreichbarer Himmelskörper ist und wissenschaftlich nach wie vor ein lohnendes Ziel darstellt. Für die Planetenforschung ist hier vor allem eine bessere Kenntnis der Mondrückseite von Interesse, sowie das Sammeln von Gesteinsproben an bisher nicht erforschten Stellen. Fortschrittliche Roboter könnten bei Missionen mit automatisierter Probennahme zum Einsatz kommen. Aber auch eine Rückkehr des Menschen zum Mond erscheint in den nächsten Jahrzehnten denkbar.

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 nach, die nach ihrer Ankunft am Merkur diesen mindestens ein Jahr lang erforschen wird.

Rosetta und Philae am Kometen 67P, künstlerische Darstellung. (© ESA/ATG medialab; Comet image: ESA/Rosetta/Navcam)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 gestartet, erreichte die Nachfolgemission Hayabusa2 2018 den Asteroiden Ryugu, nahm dort 2019 Proben und bringt diese bis Ende 2020 zur Erde zurück. Mit an Bord befand sich der am DLR entwickelte Lander MASCOT, der sich durch „Hüpfen“ auf der Oberfläche des Asteroiden bewegen und so Messungen an unterschiedlichen Stellen vornehmen konnte.

Ein großer Erfolg war bislang der Verlauf der 2007 gestarteten NASA-Mission Dawn. Sie erreichte 2011 den Asteroiden Vesta und erforschte ihn aus drei unterschiedlichen Umlaufbahnen, ehe sie im August 2012 zum Zwergplaneten Ceres weiterflog. Es ist die erste Raumsonde, die jenseits der Erde an zwei unterschiedlichen Körpern des Sonnensystems in eine Umlaufbahn gelenkt wurde.

Ein Highlight der Planetenforschung war die Anfang 2004 gestartete europäische Rosetta-Mission, die zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko flog und 2014 in eine Umlaufbahn um ihn einschwenkte. Im November 2014 setzte sie auf dem Kometenkern den Lander Philae 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 auf seiner Oberfläche eine Probe zu entnehmen und diese zur Erde zu bringen.

Im äußeren Sonnensystem war die Mission Cassini-Huygens als eines der letzten großen Projekte zur Erkundung des Saturnsystems seit ihrer Ankunft im Sommer 2004 ein weiterer Brennpunkt in der Planetenforschung. Sie lieferte zuverlässig große Datenmengen aus dem Saturnsystem, 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 hoch interessant war im Januar 2005 der Abstieg der Landesonde Huygens durch die Atmosphäre des Titan mit der anschließenden Landung auf seiner Oberfläche. Die Mission endete im September 2017 mit dem Eintritt der Raumsonde in die Saturnatmosphäre.