与火星探测与月球探测相比，小行星探测具有微引力操作与控制、探测目标特性不确定等特点。若要降落在位于火星和木星之间的小行星目标上，需具有数倍于火星的推进能力。

截至2018年底，人类已经发射了6颗以小行星为第一目标的探测器，主要探测小行星的地质地貌、表面物质组成成分和热辐射特性等，用于了解太阳系小行星的成因和演化历史、太阳系起源及原始物质探测和开展小行星有机成分及地球生命起源研究等。

“近地小行星交会任务”探测器是美国国家航空航天局（NASA）“发现计划”中的第一个深空探测低成本飞行任务，在2001年2月通过5次减速过程成功软着陆爱神星小行星，成为人类历史上第一个成功软着陆地外小行星的探测器。1998年10月，美国发射的“深空1号”航天器，在1999年7月飞越探测了近地布莱叶小行星。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“隼鸟号”探测器， 2005年11月成功登陆糸川小行星，并且在2010年6月采集样品且返回地球，成为世界上首个采集小行星物质并成功返回地球的探测器。2007年9月，美国发射了“黎明号”航天器，在2011年8月飞抵主小行星带的内侧，对灶神星实现了环绕探测，并在2012年5月离开灶神星飞往谷神星，在2015年3月飞抵谷神星。“黎明号”探测器首次实现了对主带小行星的探测，同时也是世界上第一个通过一次发射实现环绕两个不同类型小行星的探测器。JAXA的“隼鸟2号”探测器于2014年12月发射，已于2018年7月抵达C类小行星龙宫。探测器将采用“弹丸溅射”的方式，采集小行星龙宫表面不少于100毫克的样品，于2020年12月携带样品返回地球。NASA的“欧西里斯-雷克斯”探测器于2016年9月发射，在2018年12月抵达C类小行星贝努。探测器将使用“触走”+“气吹采样”的探测方式，采集60克～2千克的贝努表面样品，于2023年9月携带样品返回地球。

中国发射的“嫦娥二号”月球探测器，在扩展任务期间，于2012年12月13日成功飞抵距离地球约700万千米的深空，以10.73千米/秒的相对速度，770米的相对距离，实现对图塔蒂斯小行星的飞越探测。星载监视相机对小行星进行了光学成像，这是国际上首次实现对该小行星近距离探测。