Продолжая работать по совершенствованию ударного ракетного оружия для ВМФ, коллектив предприятия с 1960 года приступил к разработке и созданию космических аппаратов и систем, универсальных межконтинентальных баллистических ракет тяжелого класса УР-500 и среднего класса УР-200.

Это новое направление работ предприятия в первую очередь было ориентировано на повышение обороноспособности страны, оснащение Вооруженных Сил самыми современными системами космической разведки, противоракетной и противоспутниковой обороны, ударными боевыми космическими средствами. В то же время большое внимание уделялось разработке научных автоматических и пилотируемых космических аппаратов и систем.

Первым космическим аппаратом, разработанным в ОКБ, был летательный аппарат МП-1, маневрирующий в атмосфере с высокими гиперзвуковыми скоростями, запуск которого был успешно осуществлен в 1961 году. В 1963 году произведен запуск первого в мире маневрирующего спутника «Полет-1» – прототипа истребителя спутников – активного звена в космической системе противоспутниковой обороны. Космический аппарат «Космос-252» в апреле 1968 года впервые осуществил поражение спутника-мишени. Впервые в мире разработана и создана система МКРЦ (система глобальной морской космической разведки и целеуказания) для обеспечения разведки и целеуказания в интересах применения ударного противокорабельного оружия кораблями и подводными лодками ВМФ. В её состав входили космические аппараты радиолокационного наблюдения и аппараты радиотехнической разведки.

В середине 60-х годов впервые в мире в НПО машиностроения созданы и запущены сверхтяжелые научные космические станции с аппаратурой для изучения космических частиц высоких и сверхвысоких энергий. С 1965 года на предприятии началась разработка космической системы «Алмаз» для глобального наблюдения поверхности Земли и мирового океана с использованием орбитальной пилотируемой станции (ОПС) на которой устанавливалась фотоаппаратура высокого разрешения. С 1973 по 1977 год в космосе функционировали ОПС серии «Алмаз» («Салют -2, -3, -5») к которым летали пять экипажей космонавтов. Гермокорпус ОПС в дальнейшем применялся другими ракетно-космическими фирмами как базовый при создании отечественных тяжелых пилотируемых станций (ОК «Мир» и служебного модуля МКС).

С 1976 года началась разработка космической системы «Алмаз-Т» с автоматической орбитальной стацией, оснащенной бортовым комплексом наблюдения, включающим радиолокатор с синтезированной апертурой.

С 1987 по 1992 годы две такие станции («Космос 1870» и «Алмаз-1») успешно функционировали на космической орбите.

Сегодня по программе действий «Прагматичный космос» предприятие создает системы с малыми космическими аппаратами (МКА) для дистанционного зондирования Земли серии «Кондор-Э» на базе унифицированной космической платформы.

27 июня 2013 года был запущен на орбиту в интересах Госзаказчика первый и единственный в России космический аппарат, оснащенный радиолокатором высокого разрешения - «Кондор-Э». За время эксплуатации КА были получены радиолокационные снимки, подтверждающие требования ТЗ. А 19 декабря 2014 года состоялся успешный пуск РН «Стрела» со вторым космическим аппаратом «Кондор-Э», запущенным уже в интересах инозаказчика. Все технические характеристики, заложенные при создании аппарата, были подтверждены.

Объединение в единое целое в рамках одной программы разработки, производства и эксплуатации космических систем и средств выведения, а также применение прагматичных экономических и технических подходов, позволяют АО «ВПК «НПО машиностроения» радикально снизить издержки и сроки ввода в эксплуатацию представляемых на рынке космических проектов.