Espaço sideral, espaço exterior ou simplesmente espaço é toda a área física do universo não ocupada por corpos celestes. Esse ambiente constitui-se de um vácuo parcial contendo baixa densidade de partículas, predominantemente plasma de hidrogênio e hélio, além de radiação eletromagnética, campos magnéticos, neutrinos, poeira interestelar e raios cósmicos. Sua temperatura média, definida a partir da radiação de fundo do Big Bang, é 2,727 K (−270,423 °C; −454,7614 °F). O plasma com densidade numérica menor que um átomo de hidrogênio por metro cúbico e temperatura de milhões de kelvin, no meio intergaláctico representa a maior parte da matéria bariônica espacial, a qual, em concentrações locais, integra-se na formação de estrelas e galáxias. Observações têm provido evidências de que 90% da massa presente na maioria das galáxias é de um tipo pouco conhecido, chamado de matéria escura, que interage com outras matérias por meio de forças gravitacionais, mas não electromagnéticas. Dados indicam que a maior parte da massa-energia no universo observável é uma pouco entendida forma de energia do vácuo, alcunhada, por astrônomos, de energia escura. O ambiente intergaláctico ocupa a maior porção do universo, mas mesmo as galáxias e sistemas estelares consistem quase que inteiramente de vazios.
Não há uma clara definição dos limites do espaço em relação à Terra ou mesmo de sua extensão. A linha de Kármán, contudo, uma estimativa de altitude de 100 km (62 mi) acima do nível do mar, é consensualmente entendida como o "início" desse ambiente, sobretudo em tratados espaciais e registros aeronáuticos e astronáuticos. Um quadro legal foi estabelecido pelo Tratado do Espaço Exterior, aprovado pela Organização das Nações Unidas em 1967, com 98 países signatários e outros 27 assinantes. Esse postulado impede qualquer reivindicação de soberania nacional sobre o espaço e permite, a todas as nações, sua livre exploração. Apesar da elaboração de resoluções, por parte da ONU, tratando do uso pacífico desse ambiente, armas antissatélite têm sido testadas na órbita do planeta.
A humanidade iniciou a exploração física do espaço no século XX, com o advento dos balões de grande altitude, seguido por desenvolvimentos tecnológicos que vieram a propiciar, décadas depois, o lançamento de foguetes espaciais (ver: História dos foguetes). O alcance da órbita geocêntrica foi conseguido pela primeira vez por Yuri Gagarin, da União Soviética, em 1961. Desde então, espaçonaves não tripuladas têm viajado por todos os planetas do Sistema Solar. Em decorrência do alto custo para a execução de viagens tripuladas, tais missões têm se limitado à órbita terrestre baixa ou à Lua. O espaço sideral representa o que há de mais desafiador à ciência e perigoso à exploração humana, sobretudo pela complexidade desse ambiente e pelos riscos e ameaças do vácuo e radiação. A microgravidade, por exemplo, tem um efeito nocivo à fisiologia humana. Questões de saúde, ambientais, econômicas e tecnológicas têm colocado em cheque o progresso da atividade, muito embora a evolução científica que esse tipo de exploração pode proporcionar seja considerada inestimável.
Em 350 A.C., o filósofo Grego Aristóteles sugeriu: nature abhors a vacuum, um princípio que ficou conhecido como: horror vacui. Este conceito, construído sobre uma argumentação ontológica do século V a.C. do filósofo grego Parmênides, que negava a possibilidade de existência de vácuo no espaço. Baseado nessa ideia de que o vácuo não podia existir, no ocidente, por muitos séculos, se acreditou que o espaço não poderia ser vazio. No século XVII, o filósofo francês René Descartes argumentou que todo o espaço deveria ser preenchido.
Na China antiga, existiam várias escolas de pensamento a respeito da "natureza dos céus", algumas das quais se assemelham ao nosso entendimento moderno. No século II, o astrônomo Zhang Heng, ficou convencido que o espaço devia ser infinito, se estendendo muito além do "mecanismo" de sustentação do Sol e das estrelas. Os livros remanescentes da escola Hsüan Yeh, dizem que os céus não tinham limites, "vazio e desprovido de substância". E continuando: "o Sol, a Lua e o conjunto de estrelas, flutuam no espaço vazio, estando parados ou em movimento".
O cientista italiano Galileu Galilei, sabia que o ar tinha massa e portanto estava sujeito à gravidade. Em 1640, ele demonstrou que uma força estabelecida resistiu à formação de vácuo. No entanto, coube ao seu pupilo, Evangelista Torricelli, criar um aparelho que iria produzir vácuo em 1643. Este experimento resultou no primeiro barômetro de mercúrio que foi a sensação científica na Europa da época. O matemático francês Blaise Pascal, argumentou que se a coluna de mercúrio era envolvida pelo ar, a coluna deveria ficar menor em grandes altitudes, onde a pressão do ar é menor. Em 1648, seu irmão adotivo, Florin Périer, repetiu o experimento na montanha de Puy de Dôme na região central da França, e constatou que a coluna de mercúrio era 7,6 cm menor. Essa diminuição de pressão, foi mais tarde demonstrada, carregando um balão parcialmente cheio para uma montanha e observando que ele inflava gradualmente, e desinflava na descida.
Em 1650, o cientista alemão Otto von Guericke, construiu a primeira bomba de vácuo: um dispositivo que pode, mais tarde, refutar o princípio de horror vacui. Ele corretamente observou que a atmosfera da Terra, envolve o planeta como uma concha, com a densidade diminuindo gradualmente com a altitude. Assim, concluiu que deveria haver vácuo entre a Terra e a Lua.
No século XV, o teólogo alemão Nicolau de Cusa, especulou que o Universo não tinha um centro, pois não era uma circunferência. Ele acreditava que o Universo, apesar de não ser infinito, também não podia ser tratado como finito, devido a ausência de limites nos quais ele pudesse estar contido. Essas ideias levaram o filósofo italiano Giordano Bruno, no século XVI, a especular sobre as dimensões infinitas do espaço. Ele expandiu a cosmologia heliocêntrica de Copérnico ao conceito de um Universo infinito preenchido com uma substância que ele chamou de éter, que não causava resistência aos movimentos de corpos celestes. O filósofo inglês William Gilbert chegou a uma conclusão semelhante, argumentando que as estrelas eram visíveis apenas pelo fato delas estarem cercadas por éter ou um "vazio". Este conceito de éter, originou-se nos filósofos da Grécia antiga, incluindo Aristóteles, que o concebeu como sendo o meio através do qual os corpos celestes se moviam.
O conceito de um Universo preenchido com éter luminífero permaneceu em voga entre alguns cientistas até o início do século XX. Esta forma de éter era vista como um meio no qual a luz podia se propagar, daí o seu nome. Em 1887, a Experiência de Michelson-Morley, tentou detectar o movimento da Terra através desse meio procurando alterações na velocidade da luz dependendo da direção do movimento do planeta. No entanto, o resultado nulo, indicou que havia algo errado com o conceito. A ideia do éter luminífero, foi então abandonada. Ele foi substituído pela teoria da relatividade restrita de Albert Einstein, que sustenta que a velocidade da luz no vácuo é um valor constante, independente do movimento do observador ou referencial.
O primeiro astrônomo profissional a apoiar o conceito de um Universo infinito foi o Inglês Thomas Digges em 1576. Mas o tamanho do Universo permaneceu desconhecido até a primeira aferição bem-sucedida da distância de uma estrela próxima em 1838 pelo astrônomo alemão Friedrich Bessel. Ele mostrou que a estrela 61 Cygni tinha um paralaxe estelar de apenas 0,31 arcossegundo (comparado com o valor moderno de 0,287″). Isso corresponde a uma distância de mais de 10 anos luz. A distância para a Galáxia de Andrômeda, foi determinada em 1923 pelo astrônomo Edwin Hubble, medindo a intensidade do brilho das variáveis Cefeidas na galáxia, uma nova técnica descoberta por Henrietta Leavitt. Com ela, ficou estabelecido que a galáxia de Andrômeda, e por extensão todas as galáxias, ficavam fora da Via Láctea.