Fou creada el 1975 a partir de la fusió de la European Launcher Development Organization (ELDO) amb la European Space Research Organization (ESRO). Té per missió promoure la investigació i la tecnologia espacials amb propòsits exclusivament pacífics.
En foren els membres fundadors Àustria, Bèlgica, Dinamarca, Espanya, França, la República Federal Alemanya (des del 1990, Alemanya), Irlanda, Itàlia, la Gran Bretanya, Noruega, els Països Baixos, Suècia i Suïssa. Posteriorment s’hi han afegit Irlanda (1975), Àustria i Noruega (1987), Finlàndia (1995), Portugal (2000), Hongria (2003), Grècia, Luxemburg (2005), la República Txeca (2008), Romania (2010) i Polònia (2012). La resta de membres de la Unió Europea tenen l’estatut d’observadors (2011). Fora d’Europa, l’Argentina, el Canadà i Israel han signat acords de cooperació.
Té tres centres principals d’investigació, l’ESTEC a Noordwijk (Països Baixos), l’ESOC a Darmstadt (Alemanya) i l’ESRIN a Frascati (Itàlia), i la base de llançament dels seus satèl·lits i coets és Kourou (Guaiana Francesa).
L’ESA realitza els seus programes mitjançant els coets Ariane, dels quals, fins el 2012, hom n'havia fet sis versions. Desenvolupa programes de satèl·lits científics (estudi de la magnetosfera terrestre, de l’astronomia ultraviolada o de raigs X, del Sol, etc.), entre els quals el satèl·lit astromètric Hipparcos i d’aplicació (telecomunicacions, ajuda a la navegació, observació de la Terra, observació meteorològica, del medi ambient, etc.). Endegà el programa de l’estació espacial Spacelab, i ha planejat missions interplanetàries, com la realitzada per la sonda Giotto llançada a l’encontre del cometa Halley durant la seva tornada del 1986. El 1997 col·laborà amb els EUA en el projecte Cassini i el 1998 signà amb els EUA, Rússia, el Japó i el Canadà un conveni per a la construcció d’una Estació Espacial Internacional, en funcionament des de l’any 2000. El 1999 llançà el telescopi XMM, el més potent dels posats en òrbita fins aleshores.
El 2001 inicià l'elaboració del programa general per a l'exploració del sistema solar amb sondes robòtiques, l’Aurora, i entrà així en un camp tradicionalment dominat pels Estats Units d’Amèrica i l'antiga Unió Soviètica. L'enviament de la sonda Mars Express (2003) per a l'exploració de Mart foren les primeres fites aconseguides. Entre les missions programades per a l'exploració de planetes es troba la Venus Express (2005), per a l’estudi de Venus, i la BepiColombo (2007), dirigida a Mercuri.
Amb el programa Galileo (2005), l'ESA ha impulsat en col·laboració amb els EUA un sistema de navegació de satèl·lits global, i en 2003-07 col·laborà amb la Xina en el programa de satèl·lits Double Star. La missió COROT (2006), d’altra banda, té per objecte la identificació de planetes terrestres al voltant d'altres estrelles. Entre el 2009 i el 2013, l’Observatori Espacial Herschel aportà una gran quantitat d’informació basada en la detecció de l’infraroig llunyà, i al desembre d’aquest darrer any fou posat en òrbita Gaia, satèl·lit científic amb la missió de subministrar una ingent quantitat de dades sobre la Via Làctia. L’any 2007 hom abandonà el programa Darwin, destinat a detectar presència de vida extraterrestre. A l’abril del 2014 llançà el Sentinel-1, el primer d’una sèrie de sis satèlits que formen el projecte Copernic, el qual té per objecte la recollida massiva de dades sobre la Terra i la seva atmosfera per a una gran diversitat d’estudis (climàtics, geològics, mediambientals, topogràfics, oceànics, et.) i les aplicacions corresponents.