Per a l'observació històrica de Venus des de la Terra prèvia a l'exploració espacial, vegeu Observació de Venus. El planeta Venus va ser el primer cos del sistema solar després de la Lluna que fou visitat per una sonda espacial. L'exploració espacial de Venus inclogué nombroses sondes estatunidenques i soviètiques durant els anys 60 i 70 del . La quantitat de sondes d'exploració enviades al planeta es va reduir en les dècades de 1980 i 1990 i actualment és l'objectiu principal de missions científiques europees i japoneses. L'òrbita de Venus és un 28% més propera al Sol que la de la Terra. Per aquest motiu, les naus que viatgen cap a Venus han de recórrer més de 41 milions de quilòmetres endinsant-se en el pou gravitatori del Sol, i perden en el procés part de la seva energia potencial, que es transforma llavors en energia cinètica, la qual cosa es tradueix en un augment de la velocitat de la nau. Fent un símil, és semblant a la caiguda lliure d'un avió, que ha d'aterrar just quan la velocitat és més gran, la qual cosa fa que aquest tipus de trajectòries s'hagi d'afinar amb molta precisió. D'altra banda, l'atmosfera de Venus no convida a les maniobres d'aerofrenada atmosfèrica del mateix tipus que altres naus han efectuat sobre Mart, ja que per a això cal una informació extremadament precisa de la densitat atmosfèrica en les capes superiors i, sent Venus un planeta d'atmosfera massiva, les capes exteriors són molt més variables i complicades que les de Mart.
Observacions terrestres miniatura|alt=Una fotografia del cel nocturn presa des de la vora del mar. Molts espurnes de sol hi ha a l'horitzó. Hi ha moltes estrelles visibles. Venus és al centre, molt més brillant que qualsevol de les estrelles, i la seva llum es pot veure reflectida a l'oceà.|Venus sempre és més brillant que les estrelles més brillants fora del Sistema Solar, com es pot veure aquí sobre l'Oceà Pacífic
Els trànsits de Venus directament entre la Terra i el disc visible del Sol són esdeveniments astronòmics rars. El primer trànsit d'aquest tipus que es va predir i observar va ser el trànsit de Venus de 1639, vist i registrat pels astrònoms anglesos Jeremiah Horrocks i William Crabtree. L'observació per Mikhaïl Lomonóssov del trànsit de 1761 va proporcionar la primera evidència que Venus tenia atmosfera, i les observacions de la paral·laxi del segle XIX durant els trànsits de Venus van permetre calcular amb precisió la distància entre la Terra i el Sol per primera vegada. Els trànsits només poden ocórrer a principis de juny o principis de desembre, ja que aquests són els punts en què Venus creua l'eclíptica (el pla orbital de la Terra), i es produeixen en parelles a intervals de vuit anys, amb cada parell separat per més d'un segle. El parell de trànsits de Venus més recent va ocórrer el 2004 i el 2012, mentre que l'anterior va ocórrer el 1874 i el 1882.
Al segle XIX, molts observadors van afirmar que Venus tenia un període de rotació d'aproximadament 24 hores. L'astrònom italià Giovanni Schiaparelli va ser el primer a predir una rotació significativament més lenta, proposant que Venus estava en contacte amb el Sol (com també havia proposat per a Mercuri). Tot i que no era realment cert per a cap dels dos cossos, aquesta era una estimació raonablement precisa. La quasi-ressonància entre la seva rotació i la seva màxima aproximació a la Terra va ajudar a crear aquesta impressió, ja que Venus sempre semblava estar mirant la mateixa direcció quan es trobava a la millor ubicació per fer observacions. La velocitat de rotació de Venus es va mesurar per primera vegada durant la conjunció de 1961, observada per radar des d'una antena de 26 m a Goldstone, Califòrnia, l'Observatori de Ràdio Jodrell Bank al Regne Unit i la instal·lació espacial profunda soviètica a Ievpatòria, Crimea. La precisió es va refinar en cada conjunció posterior, principalment a partir de mesures realitzades des de Goldstone i Eupatòria. El fet que la rotació fos retrògrada no es va confirmar fins al 1964.
Abans de les observacions de ràdio de la dècada de 1960, molts creien que Venus contenia un entorn exuberant i similar a la Terra. Això es devia a la mida del planeta i al radi orbital, que suggerien una situació força semblant a la Terra, així com a la gruixuda capa de núvols que impedia veure la superfície. Entre les especulacions sobre Venus hi havia que tenia un ambient semblant a la selva o que tenia oceans de petroli o aigua carbonatada. No obstant això, les observacions de microones de C. Mayer et al. indicava una font d'alta temperatura (600 K). Curiosament, les observacions en banda mil·limètrica fetes per A. D. Kuzmin indicaven temperatures molt més baixes. Dues teories contraposades explicaven l'inusual espectre de ràdio, una que suggeria que les altes temperatures s'originaven a la ionosfera i una altra que suggeria una superfície planetària calenta.
El setembre de 2020, un equip de la Universitat de Cardiff va anunciar que les observacions de Venus utilitzant el Telescopi James Clerk Maxwell i l'Atacama Large Millimeter Array el 2017 i el 2019 indicaven que l'atmosfera venusiana contenia fosfina (PH3) en concentracions 10.000 vegades superiors a les que es podrien atribuir a qualsevol font no biològica coneguda a Venus. La fosfina es va detectar a altures d'almenys 48 quilòmetres sobre la superfície de Venus i es va detectar principalment a latituds mitjanes, sense que se'n detectés cap als pols de Venus. Això podria haver indicat la possible presència d'organismes biològics a Venus. tanmateix, es va demostrar més tard que aquesta mesura era errònia.
Cartografia de radar terrestre Després de la Lluna, Venus va ser el segon objecte del Sistema Solar que es va explorar mitjançant radar des de la Terra. Els primers estudis es van dur a terme el 1961 a l'Observatori Goldstone de la NASA, que forma part de la Xarxa de l'Espai Profund. En successives conjuncions inferiors, Venus va ser observat tant per Goldstone com pel Centre Nacional d'Astronomia i Ionosfera a Arecibo. Els estudis realitzats van ser similars a les mesures anteriors dels trànsits del meridià, que havien revelat el 1963 que la rotació de Venus era un moviment retrògrad (gira en la direcció oposada a la que orbita al voltant del Sol). Les observacions de radar també van permetre als astrònoms determinar que el període de rotació de Venus era de 243,1 dies, i que el seu eix de rotació era gairebé perpendicular al seu pla orbital. També es va establir que el radi del planeta era de 6.052 quilòmetres, uns 70 quilòmetres menys que la millor xifra anterior obtinguda amb telescopis terrestres.
L'interès per les característiques astrogeològiques de Venus es va veure estimulat pel refinament de les tècniques d'imatge entre 1970 i 1985. Les primeres observacions de radar suggerien simplement que la superfície de Venus estava més compactada que la superfície polsegosa de la Lluna. Les primeres imatges de radar preses des de la Terra van mostrar terres altes molt brillants (reflectants del radar) batejades com a Alpha Regio, Beta Regio i Maxwell Montes; les millores en les tècniques de radar van aconseguir posteriorment una resolució d'imatge d'1 a 2 quilòmetres.
Observació amb naus espacials
Hi ha hagut nombroses missions no tripulades a Venus. Deu sondes soviètiques Venera van aconseguir un aterratge suau a la superfície, amb fins a 110 minuts de comunicació des de la superfície, totes sense retorn. Les finestres de llançament es produeixen cada 19 mesos.
Missions en la dècada de 1960 Primeres temptatives fallides Després del fracàs de la sonda Sputnik 7 llançada cap a Venus el 4 de febrer de 1961 i que no va poder sortir de l'òrbita terrestre, el 12 de febrer de 1961, la sonda espacial soviètica Venera 1 (anomenada també inicialment Sputnik 8) es converteix en la primera sonda reeixidament llançada cap a un altre planeta. Un sensor d'orientació sobreescalfat provocà l'avaria de la nau; la Venera 1, però, fou la primera a combinar totes les característiques necessàries d'una nau espacial interplanetària: panells solars, antena parabòlica per a telemetria, estabilitzadors en tres eixos, motor de correcció de rumb i el primer llançament des d'una òrbita d'aparcament. Al cap de 7 dies del llançament, estant a dos milions de quilòmetres, les transmissions es van interrompre; es calcula que va passar a 100.000 quilòmetres de Venus entre el 19 i el 20 de maig de 1961.
El 22 de juliol de 1962 la NASA llança la primera missió del programa espacial nord-americà amb destinació a Venus, la sonda Mariner 1, a bord d'un coet Atlas/Agena B; fou destruïda, però, durant l'enlairament a causa de fallades mecàniques. Igualment fallida va resultar la sonda Sputnik 19, similar a Venera 1, i llançada per l'URSS el 25 d'agost de 1962.
Primers vols miniatura|Recreació artística de la sonda soviètica Venera 9 sobre la superfície del planeta El primer èxit en l'exploració venusiana no es faria esperar molt més, i així la Mariner 2, que va sobrevolar Venus al desembre de 1962 a una distància de 34.773 km, es va convertir en la primera sonda a transmetre des de les proximitats del planeta. Era una sonda petita de tipus Ranger modificada, que va establir que Venus no tenia camp magnètic i que va mesurar les emissions tèrmiques de microones del planeta.
Els següents intents per part de la Unió Soviètica foren tots fracassos: la sonda Sputnik 20 (llançada l'1 de setembre de 1962), Sputnik 21 (12 de setembre de 1962), Cosmos 21 (11 de novembre de 1963), Venera1964A (19 de febrer de 1964) i Cosmos 27 (27 de març de 1964), totes de 890 kg de pes i llançades per coets A-2i (Molnya), no van aconseguir sortir de l'òrbita terrestre i foren destruïdes. La també soviètica Zond 1, la primera a incloure un mòdul destinat a entrar en l'atmosfera de Venus i aterrar, llançada el 2 d'abril de 1964, correria millor sort: inicià el viatge amb normalitat, però s'avarià en algun moment després de l'última transmissió de telemetria del 16 de maig; passà a 100.000 km de Venus el 14 de juliol del mateix any, igual que Venera 2, que arribà al planeta el 27 de febrer de 1966, passant a una distància de Venus de 24.000 km sense aconseguir cap de les dues enviar-ne dades. Poc després del llançament de la Venera 2 en les últimes setmanes de novembre de 1965, es van llançar també amb la mateixa destinació les sondes Cosmos 96 i Venera 1965A, que suposaran un fracàs major, en no poder abandonar l'òrbita terrestre.
Primers aterratges L'1 de març de 1966, la sonda soviètica Venera 3 s'estavellà sobre Venus, i esdevingué la primera nau espacial que arribà a la superfície d'un altre planeta. La càpsula de descens de Venera 4 va entrar en l'atmosfera de Venus el 18 d'octubre de 1967. Fracassà en el seu objectiu, tanmateix, la seva bessona, la Cosmos 167. La Venera 4 fou la primera sonda a transmetre dades mesurades directament a un altre planeta. La càpsula mesurà temperatures, pressions, densitats, i dugué a terme onze experiments químics per analitzar l'atmosfera. Les seves dades mostraven un 95% de diòxid de carboni (CO₂), i en combinació amb les dades d'ocultació per ràdio de la sonda Mariner 5, van mostrar que la pressió de la superfície era molt superior del previst (entre 75 i 100 atmosferes). Aquests resultats van ser verificats i perfeccionats per les missions Venera 5 i Venera 6 els dies 16 i 17 de maig de 1969, tot i que cap d'aquestes missions no va aconseguir arribar a la superfície mentre encara transmetien. La bateria de Venera 4 s'exhaurí mentre la sonda encara flotava lentament a través de l'atmosfera massiva, i Venera 5 i 6 van ser aixafades per l'alta pressió a 18 km sobre la superfície.
Projectes de viatges tripulats miniatura|Representació de l′Apollo-Venus