Исследования Юпитера с близкого расстояния выполнялись при помощи автоматических космических аппаратов. Эти исследования начались с зонда «Пионер-10» (НАСА), пролетевшего через систему Юпитера в 1973 году.

На 2018 год систему Юпитера посетили семь пролётных миссий («Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Улисс», «Кассини», «Новые горизонты») и две орбитальных («Галилео» и «Юнона»).

Отправка станции к Юпитеру связана с множеством технических проблем, особенно в связи с большими потребностями зондов в топливе и жёстким радиационным окружением планеты.

Первым космическим аппаратом, изучавшим Юпитер, стал «Пионер-10» в 1973 году, через год после него через систему Юпитера прошёл «Пионер-11». Помимо съёмки планеты с близкого расстояния, они обнаружили её магнитосферу и окружающий планету радиационный пояс.

«Вояджер-1» и «Вояджер-2» посетили планету в 1979 году, изучили её спутники и систему колец, открыли вулканическую активность Ио и наличие водяного льда на поверхности Европы.

«Улисс» провёл дальнейшее изучение магнитосферы Юпитера в 1992 году, а затем выполнил некоторые исследования во время дальнего пролёта в 2000 году.

«Кассини» достиг планеты в 2000 году и получил очень подробные изображения его атмосферы.

Зонд «Новые горизонты» прошёл рядом с Юпитером в 2007 году и выполнил новые наблюдения планеты и её спутников.

«Галилео» стал первым космическим аппаратом, который вышел на орбиту вокруг Юпитера. Он изучал планету с 1995 до 2003 года. В течение этого периода «Галилео» собрал большой объём информации о системе Юпитера, подходя близко ко всем четырём гигантским галилеевым спутникам. Он подтвердил наличие тонкой атмосферы на трёх из них, а также наличие жидкой воды под их поверхностью. Аппарат также обнаружил магнитосферу Ганимеда. Достигнув Юпитера, он наблюдал столкновения с планетой осколков кометы Шумейкеров — Леви. В декабре 1995 года аппарат направил спускаемый зонд в атмосферу Юпитера, и эта миссия по близкому исследованию атмосферы является до настоящего времени единственной.

Космический аппарат «Юнона», запущенный 5 августа 2011 года, вышел на орбиту Юпитера в 2016 году. КА движется по полярной орбите. Одна из его целей — выяснить, обладает ли планета твёрдым ядром.

Ряд беспилотных миссий к Юпитеру планируется НАСА и другими космическими агентствами (Европа, Индия, Россия).

Технические требования Полёты от Земли к другим планетам Солнечной системы предполагают высокие энергетические затраты. Чтобы достигнуть Юпитера с орбиты Земли, требуются почти такие же затраты энергии для космического аппарата, какие нужны для его первоначального вывода на околоземную орбиту. В астродинамике этот расход энергии определяется чистым изменением скорости космического аппарата, или дельта-v. Энергия, необходимая для достижения Юпитера с земной орбиты, требует дельта-v примерно 9 км/с, в сравнении с 9,0—9,5 км/с для достижения низкой околоземной орбиты с поверхности . Конечно, для уменьшения затрат энергии (топлива) при запуске может быть использован гравитационный манёвр посредством пролёта мимо планет (таких как Земля или Венера), хотя ценой этого является значительное увеличение продолжительности полёта для достижения цели по сравнению с прямой траекториейFischer, 1999, p. 44.. Ионный двигатель, подобный использованному на космическом аппарате «Dawn»Dawn: Mission description, способен развить дельту-v более чем 10 км/с. Этого более чем достаточно для миссии пролёта мимо Юпитера от околосолнечной орбиты того же радиуса, что и земная орбита, без использования гравитационного манёвраCRC Handbook of Chemistry and Physics, 64th EDITION, (C) 1983, page F-141..

Юпитер не имеет твёрдой поверхности для посадки, при наличии плавного перехода между атмосферой планеты и её жидкой средой. Любые зонды при погружении в атмосферу в конечном итоге оказываются раздавлены огромным давлением атмосферы Юпитера. Поэтому все выполненные и планирующиеся миссии к Юпитеру являются лишь пролётными или орбитальными, а также атмосферными (с непосредственным исследованием верхних слоёв атмосферы). Посадочные миссии на Юпитер невозможны. Однако возможны посадки на спутники Юпитера.

Другой важной проблемой является радиационное облучение, которому космический зонд подвергается из-за наличия высокоэнергетических заряженных частиц в пространстве вокруг Юпитера (см. также Магнитосфера Юпитера). Например, когда «Пионер-11» максимально приблизился к планете, уровень радиации был в десять раз выше того, который предсказывали разработчики «Пионеров», и это привело к опасениям, что зонды не выживут; однако, с несколькими незначительными сбоями, зонд сумел пройти через радиационный пояс. Однако зонд потерял большинство изображений спутника Ио, поскольку радиация, воздействуя на фотополяриметр для изображений «Пионера», вызвала некоторое количество ложных команд. Последующие и более технологически продвинутые «Вояджеры» должны были подвергнуться доработке, чтобы справиться со значительным уровнем излучения. Зонд «Галилео» за восемь лет нахождения на орбите планеты получил дозу радиации, значительно превышающую спецификации разработчиков, и его системы в различных ситуациях выходили из строя. Гироскопы аппарата часто показывали повышенные ошибки, и иногда появлялась электрическая дуга между его вращающимися и невращающимися частями, вызывая переход в , что привело к полной потере данных с 16-й, 18-й и 33-й орбит. Радиация также вызывала фазовые сдвиги в ультра-стабильном кварцевом генераторе «Галилео» .

Пролётные миссии Пролётная траектория — это траектория, при которой космический аппарат пролетает мимо планеты на некотором расстоянии, испытывая силу её притяженияЛевантовский В. И. Механика космического полёта в элементарном изложении. 3-е изд., доп. и перераб. — М.: Наука, 1980. — 512 с..

Программа «Пионер» (1973 и 1974)

Первым космическим аппаратом, который приблизился к Юпитеру, был «Пионер-10». Он пролетел мимо планеты в декабре 1973 г. Через 13 месяцев к Юпитеру приблизился и «Пионер-11». «Пионер-10» был первым аппаратом, который позволил получить изображения Юпитера и галилеевых спутников крупным планом. С помощью аппарата было изучено строение атмосферы Юпитера, обнаружены его магнитосфера и радиационный пояс, а также выяснено, что недра Юпитера в основном представляют собой газ и жидкость. «Пионеру-11» удалось подлететь к Юпитеру на расстояние до от вершин облаков в декабре 1974 г. Это позволило получить подробное изображение Большого красного пятна, сделать первое наблюдение полярной области Юпитера и определить массу его спутника Каллисто. Информация, полученная этими двумя аппаратами, позволила астрономам и инженерам создать более совершенные зонды, чтобы улучшить качество и количество данных о Юпитере.

Программа «Вояджер» (1979)

«Вояджер-1» начал фотографировать Юпитер в январе 1979 г. и максимально приблизился к планете 5 марта 1979 г. до расстояния от центра планеты. Близкий подлёт позволил получить изображения лучшего качества, однако время облёта планеты (двое суток) было непродолжительным. Несмотря на это, исследователям удалось получить данные о кольцах Юпитера, его спутниках, изучить его магнитные поля и радиационное излучение. Аппарат продолжил фотографирование планеты вплоть до апреля. Вскоре за «Вояджером-1» последовал «Вояджер-2», который прошёл на расстоянии от центра планеты 9 июля 1979 года. Аппарат открыл кольца Юпитера, обнаружил сложные вихри на поверхности планеты, провёл наблюдения за вулканической активностью на Ио, обнаружил возможные проявления тектоники плит на Ганимеде и многочисленные кратеры на спутнике Каллисто.

Миссии «Вояджеров» позволили значительно расширить информацию о галилеевых спутниках, а также обнаружить кольца Юпитера. Это были первые космические аппараты, которые позволили получить хорошие изображения атмосферы планеты, в частности, выяснив, что Большое красное пятно — сложный атмосферный вихрь, движущийся против часовой стрелки. Ряд других, меньших по размерам вихрей были обнаружены внутри облачных полос. В непосредственной близости от колец планеты были открыты два небольших спутника, получившие названия Адрастея и Метида. Это были первые луны Юпитера, открытые космическими аппаратами. Третий спутник, Фива, был замечен между орбитами Амальтеи и Ио.

Неожиданное открытие вулканической активности на спутнике Ио было первым доказательством того, что она может протекать не только на Земле. «Вояджеры» обнаружили в общей сложности 9 вулканов на поверхности Ио, а также свидетельства извержений, происходивших за время между пролётами миссий.

На фотографиях спутника Европа, сделанных «Вояджером-1» с низким разрешением, было выявлено большое число пересекающихся линейных особенностей. Сначала учёные полагали, что эти особенности являются глубинными разломами, образование которых происходит вследствие рифтогенеза или движения тектонических плит. Однако изображения поверхности Европы с высоким разрешением, сделанные «Вояджером-2» с меньшего расстояния, озадачили исследователей тем, что эти особенности практически не проявляются в топографическом рельефе. Совокупность данных привела исследователей к предположению, что эти трещины могут напоминать стыки между ледяными полями в плавучем морском льде на Земле и что под слоем льда на Европе скрывается вода. Внутренне Европа может быть активна благодаря приливному нагреву на уровне от приливного нагрева Ио, и как результат, спутник может быть покрыт льдом толщиной не более 30 км, скрывающим подлёдный океан глубиной 50 км.

«Улисс» (1992, 2004)

8 февраля 1992 г. зонд «Улисс», предназначенный для исследования полюсов Солнца, пролетел над северным полюсом Юпитера на расстоянии 451 000 км от центра планеты.

Для поднятия над плоскостью эклиптики аппарату требовалось посредством гравитационного манёвра достичь высокого наклонения орбиты, чтобы увеличить угол относительно эклиптики до 80,2°. Огромная сила притяжения Юпитера перевела «Улисс» на орбиту, необходимую для наблюдения полюсов Солнца и исследования областей Солнечной системы, удалённых от эклиптики. При этом форма орбиты мало изменилась: её афелий и перигелий остались равными около 5 а. е. (радиус орбиты Юпитера) и 1 а. е. (радиус орбиты Земли), соответственно. «Улисс» также выполнил измерения магнитного поля планеты, но не передавал её изображения, так как аппарат не оснащён камерами. В феврале 2004 г. «Улисс» снова пролетал относительно близко от Юпитера, однако на значительно бо́льшем расстоянии (120 млн км, или 0,8 а. е.), чем во время первого пролёта. В ходе этого пролёта зонд обнаружил узкие потоки электронов, испускаемые Юпитером.

«Кассини» (2000)

В 2000 г. космический аппарат «Кассини» на пути к Сатурну пролетел мимо Юпитера и сделал несколько самых высококачественных изображений за всю историю наблюдений за Юпитером. Максимальное сближение с планетой было достигнуто 30 декабря 2000 г. На протяжении многомесячного облёта были выполнены множество измерений, в частности, было сделано около 26 000 изображений, на основании которых был реконструирован наиболее детальный цветной «портрет» Юпитера, на котором можно разглядеть объекты размером в поперечнике.

Основным открытием, сделанным во время облёта планеты и объявленным 6 марта 2003 г., считается циркуляция атмосферы Юпитера. Тёмные пояса чередуются со светлыми зонами в атмосфере, и зоны, с их более светлыми облаками, ранее рассматривались учёными как зоны поднимающейся атмосферы (апвеллинг), частично потому, что на Земле облака формируются за счёт восходящих потоков воздуха. Однако анализ изображений, сделанных зондом «Кассини», показал, что тёмные пояса содержат отдельные вихревые ячейки из поднимающихся вверх ярко-белых облаков, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть с Земли. Энтони Дель Дженио (Anthony Del Genio) из (НАСА) утверждал, что «пояса должны быть областями общего подъёма при движении атмосферы на Юпитере, [поэтому] общее движение в зонах должно быть направлено вглубь» (см. также Даунвеллинг).