
L'espace est l'étendue au delà de l'atmosphère terrestre et entre les objets célestes. La densité de matière y est extrêmement faible et constitue donc un vide presque parfait, la matière restante y étant essentiellement du plasma d'hydrogène et d'hélium. L'espace est par ailleurs traversé de radiations électromagnétiques, de rayons cosmiques, de neutrinos, de champs magnétiques et de poussière. La température de l'espace, telle que déduite du fond diffus cosmologique, est d'environ 2,7 kelvins (soit −270 °C).
Le plasma entre les galaxies représente environ la moitié de la matière ordinaire dans l'univers, d'une densité numérique de moins d'un atome d'hydrogène par mètre cube, et d'une température cinétique de plusieurs millions de kelvin. L'essentiel du reste de la masse-énergie de l'univers observable est d'une nature inconnue : la matière noire et l'énergie sombre. L'espace est subdivisé en régions avec du plus petit au plus grand l'espace interplanétaire, l'espace interstellaire, et l'espace intergalactique, ce dernier représentant l'essentiel du volume de l'univers. Il existe néanmoins des vides encore plus grands entre les filaments galactiques.

Par convention la ligne de Kármán à 100 kilomètres d'altitude au-dessus du niveau de la mer est considérée comme le début de l'espace extra-atmosphérique, bien que les couches les plus fines de l'atmosphère terrestre dont la thermosphère et l'exosphère s'étendent bien au delà. L'idée que l'étendue entre les objets célestes est faite de vide est née de la découverte de la pression atmosphérique et de sa diminution avec l'altitude au XVIIe siècle ; et son échelle immense lorsqu'est mesurée la distance jusqu'à la galaxie d'Andromède, puis la taille de l'univers observable grâce à l'étude du fond diffus cosmologique, au XXe siècle.
L'espace est d'abord approché par des ballons au début du XXe siècle, puis exploré grâce aux fusées : la V2 est le premier objet artificiel à atteindre l'espace à , Spoutnik 1 le premier satellite artificiel de la Terre en , Luna 1 la première sonde spatiale à atteindre l'espace interplanétaire en , Youri Gagarin le premier humain à réaliser un vol spatial en , et Voyager 1 la première sonde à atteindre l'espace interstellaire en . Depuis des astronautes vivent en permanence dans l'espace à bord de la station spatiale internationale (ISS) en orbite basse autour de la Terre, malgré l'hostilité extrême de ce milieu à la vie humaine. Le cadre du droit de l'espace est le Traité de l'espace de , qui définit l'espace comme un bien commun de l'humanité.

Du fait de l'absence de limite nette de l'atmosphère terrestre, on peut définir de différentes façons la limite entre l'atmosphère et l'espace. Ainsi, la Fédération aéronautique internationale a établi la ligne de Kármán à une altitude de 100 km comme définition effective de cette frontière, alors que dans le milieu astronautique, une personne qui se déplace au-delà d'une altitude de 80 km est désignée astronaute, cosmonaute, etc. suivant sa nationalité (dans ce cas, la thermosphère est considérée comme la limite de l'atmosphère). L'altitude de 120 km marque la frontière où les effets atmosphériques lors d'un retour d'orbite deviennent non négligeables.
La densité de l'atmosphère et sa composition en fonction de l'altitude évoluent de manière progressive.