2001（平成13）年
1月
宇宙科学研究所、中央省庁再編に伴い文部科学省の所管となる。
2月
NASAのスペースシャトル「エンデバー」に日本人搭乗員として毛利衛宇宙飛行士が2度目の搭乗。地球観測ミッションSRTMにMS:ミッションスペシャリストとして参加して、地球の撮影を行った他、各種実験も実施。
4月
航空宇宙研究所、独立行政法人航空宇宙技術研究所となる。
8月
純国産ロケット、H-IIAロケット試験機1号機打ち上げ成功。
レーザ測距装置（LRE）分離に成功。
10月
NASA（アメリカ航空宇宙局）のスペースシャトル「ディスカバリー」に日本人MS:ミッションスペシャリストとして若田光一宇宙飛行士が2度目の搭乗。国際宇宙ステーションとドッキングし、ロボットアームで各種装置の取り付けを行った。
(左)フライトデッキにいるゴーリィ宇宙飛行士と毛利宇宙飛行士(右)ロボットアームを操作する若田宇宙飛行士(提供 NASA/JAXA)
2002（平成14）年
2月
H-IIAロケット試験機２号機で民生部品・コンポーネント実証衛星（MDS-1）「つばさ」および高速再突入実験機（DASH）の打ち上げに成功。
9月
H-IIAロケット3号機でデータ中継技術衛星（DRTS）「こだま」および次世代型無人宇宙実験システム（USERS）を打ち上げ。
10月
NAL、高速飛行実証実験I（HSFD1）実施。無人自律機による着陸場の地上設備の検証。
12月
H-IIA-4ロケットで環境観測技術衛星「みどりII（ADEOS-II）」および小型副衛星３機＜マイクロラブサット１号機、豪州小型衛星（FedSAT）、鯨生態観測衛星（WEOS）＞を打ち上げ。
2003（平成15）年
3月
H-IIAロケット5号機で情報収集衛星打ち上げ。
5月
M-Vロケット5号機で工学実験・小惑星探査機「はやぶさ（MUSES-C）」打ち上げ。
7月
高速飛行実証実験II（HSFD2）実施。遷音速における空力特性推算技術の検証。
10月1日
日本の宇宙3機関（宇宙開発事業団、宇宙科学研究所、航空宇宙技術研究所）が統合し、独立行政法人「宇宙航空研究開発機構」(JAXA: ジャクサ)発足。
世界宇宙飛行士会議の開催。
10月31日
「みどりII」の運用終了
11月
情報収集衛星を搭載したH-IIAロケット6号機の打ち上げ失敗。
12月
「のぞみ」の火星周回軌道投入断念
2004（平成16）年
5月
小惑星探査機「はやぶさ」の地球スイングバイ
6月
H-IIA6号機事故調査報告書がまとまる
11月
JAXA新理事長に立川敬二就任
2005（平成17）年
2月
運輸多目的衛星新1号(MTSAT-1R)を搭載したH-IIAロケット7号機の打ち上げに成功。
衛星は「ひまわり6号」と名付けられる。