thumb|Jupiter sett fra romsonden Cassini. Dette er det mest detaljerte globale fargebidet av Jupiter noen sinne satt sammen.

Utforskningen av Jupiter har hittil blitt gjennomført via nære observasjoner av robot-romsonder. Det begynte med ankomsten av Pioneer 10 til det jovianske systemet i 1973, og som per 2008 har fortsatt med ytterligere syv sondeoppdrag. Alle disse oppdragene ble foretatt av NASA, og alle bortsett fra én har vært forbipasseringer som har utført detaljerte observasjoner uten at sonden landet eller gikk inn i bane. Disse sondene gjør Jupiter til den mest besøkte av solsystemets ytterste planeter. Planer for ytterligere oppdrag til det jovianske systemet er under utvikling, men ingen er lagt opp til å ankomme planeten før i 2016. Å sende et fartøy til Jupiter innebærer mange tekniske vanskeligheter, spesielt på grunn av sondenes store drivstoffbehov og effekten av planetens tøffe strålingsmiljø.

Det første romfartøyet som besøkte Jupiter var Pioneer 10 i 1973, etterfulgt av Pioneer 11 et par måneder senere. I tillegg til å ta de første nærbildene av planeten oppdaget disse sondene dens magnetosfære og dens store flytende indre. Voyager 1 og Voyager 2-sondene besøkte planeten i 1979 og studerte månene og ringsystemet og oppdaget vulkansk aktivitet på Io og forekomster av vannholdig is på overflaten av Europa. Romsonden Ulysses studerte Jupiters magnetosfære i 1992 og så igjen i 2000. Cassini-sonden ankom planeten i 2000 og tok svært detaljerte bilder av atmosfæren. Romfartøyet New Horizons passerte Jupiter i 2007 og foretok forbedrete målinger av planetens og månenes parametre.

Romsonden Galileo er den eneste som faktisk har gått inn i en bane rundt Jupiter da den gikk inn i bane i 1995 og studerte planeten frem til 2003. I løpet av denne perioden samlet Galileo store mengder informasjon om det jovianske systemet, gjorde tilnærminger til alle de fire store galileiske månene og fant bevis for en tynn atmosfære på tre av dem, så vel som muligheten for flytende vann under overflatene. Den oppdaget også et magnetisk felt rundt Ganymedes. Da den ankom Jupiter ble den også vitne til nedslaget av Shoemaker-Levy 9. I desember 1995 slapp den ned en sonde i den jovianske atmosfæren, og er per 2011 det eneste fartøyet som har gjort det.</noinclude>Fremtidige sonder planlagt av NASA inkluderer romfartøyet Juno, som ble skutt opp i 2001 og vil gå inn i polar bane rundt Jupiter for å fastslå om den har en kjerne av stein, og Europa Jupiter System Mission, som er planlagt skutt opp en gang rundt 2020 og vil ta del i den utvidete studien av planetens månesystem, spesielt Europa og Ganymedes, og avgjøre den vitenskapelige debatten som har pågått over lang tid om det finnes hav av flytende vann under Europas isete overflate. Noen NASA-administratorer har også spekulert i muligheten for en bemannet utforskning av Jupiter, men slike oppdrag anses ikke mulig med dagens teknologi.

Tekniske krav Flyreiser fra jorden til andre planeter i solsystemet krever mye energi. Det kreves nesten samme mengde energi for et romfartøy å nå Jupiter fra jordens bane som det gjør å løfte den opp i bane i utgangspunktet. I astrodynamikken er dette energiforbruket definert av netto endring i sondens hastighet, eller delta-V (∆V). Energien som trengs for å nå Jupiter fra en bane rundt jorden er en ∆V på ca. 9 km/s, sammenlignet med de 9,0–9,5 km/s som kreves for å nå en lav jordbane fra bakken. Gravitasjonsslynger gjennom en planetarisk forbiflyvning (som forbi jorden eller Venus) kan imidlertid brukes for å redusere energibehovet (det vil si drivstoff) ved oppskytning, men på bekostning av en betydelig lengre varighet på flyvningen for å nå mål som Jupiter sammenlignet med en direkte bane. Ionemotorer i stand til en delta-v på mer enn 10 km/s ble brukt på romsonden Dawn, og dette er mer enn nok delta-v til å gjennomføre et forbiflyvningsoppdrag fra en solar bane av samme radius som jordens bane uten gravitasjonsslynge.

Jupiter har ingen fast overflate hvor sondene kan lande siden der er en jevn overgang mellom planetens atmosfære og det flytende indre. En sonde som blir sendt ned i atmosfæren vil etter hvert knuses av det enorme trykket i Jupiter.

Et annet problem er strålingsmengden som sondene blir utsatt for på grunn av det harde ladete partikkelmiljøet rundt Jupiter (for detaljert forklaring, se Jupiters magnetosfære). For eksempel, da Pioneer 11 gjorde sin første tilnærming mot planeten var strålingsnivåene ti ganger kraftigere enn Pioneers designere hadde forutsett, og det førte til frykt for at sonden ikke ville overleve; men med litt hell klarte sonden å passere gjennom strålingsbeltene. Sonden mistet imidlertid de fleste bildene av Io siden strålingen førte til at Pioneers fotopolarimeter fikk en rekke falske kommandoer.

Den etterfølgende og langt mer teknologisk avanserte Voyager-sonden måtte designes på nytt for å kunne takle de massive strålingsnivåene. I løpet av de åtte årene Galileo-sonden gikk i bane rundt planeten ble den utsatt for langt stråling enn hva den var spesifisert for og systemene feilet ved flere anledninger. Romsondens gyroskop sendte ofte ut økte feil og lysbuer oppstå noen ganger mellom dens roterende og ikke-roterende deler og forårsaket at den gikk i safe mode. Dette førte til fullstendig tap av data fra det 16. 18. og 33. omløpet. Strålingen forårsaket også faseendringer i Galileos ultrastabile kvartsoscillator.

Forbiflyvningsoppdrag Pioneer-programmet (1973 og 1974) right|thumb|Pioneer 10 var den første romsonden som besøkte Jupiter Utdypende artikkel: Pioneer-programmet, se også: Pioneer 10 og Pioneer 11 Den første romsonden til å utforske Jupiter var Pioneer 10 som fløy forbi planeten i desember 1973, etterfulgt av Pioneer 11 tretten måneder senere. Pioneer 10 tok de første nærbildene av Jupiter og de galileiske månene noen sinne; romsonden studerte planetens atmosfære, oppdaget magnetfeltet, observerte strålingsbeltene og fastslo at Jupiter hovedsakelig var flytende. Pioneer 11 var på det nærmeste ca.  km fra Jupiters skytopper 4. desember 1974. Den tok dramatiske bilder av den store røde flekken, gjorde de første observasjoner av Jupiters enorme polområder og fastslo massen til Jupiters måne Callisto. Informasjonen som disse sondene samlet inn hjalp astronomene med å forbedre designet på senere sonder slik at de kunne takle miljøet rundt planeten mer effektivt.

Voyager-programmet (1979) thumb|Intervallsekvens fra Voyager 1s ankomst til Jupiter som viser bevegelsen til de atmosfæriske stripene og sirkulasjonen til den store røde flekken. Video i full størrelse her.Utdypende artikkel: Voyager-programmet, se også: Voyager 1 og Voyager 2Voyager 1 begynte å fotografere Jupiter i januar 1979 og gjorde sin nærmeste passering 5. mars 1979 i en avstand av  km fra Jupiters sentrum. Den nære passeringen tillot høyere bildeoppløsning enn Pioneer-sondene. Det meste av observasjonene av Jupiters måner, ringer, magnetfelt og strålingsmiljø ble gjort på 48 timer, selv om Voyager 1 fortsatte å fotografere planeten frem til april. Voyager 2 foretok sin nærmeste passeringen 9. juli 1979, 57,6 millioner kilometer fra planetens skytopper. Sonden oppdaget Jupiters ringer, observerte intrikate virvler i atmosfæren, aktive vulkaner på Io, en analog prosess til platetektonikk på Ganymedes og en rekke kratre på Callisto.Voyager-oppdragene utvidet forståelsen av de galileiske måner betydelig. De oppdaget Jupiters ringer, tok de første nærbildene av planetens atmosfære og avslørte den store røde flekken som en kompleks storm som beveger seg i motsatt retning av planeten. En rekke andre mindre stormer og virvler ble funnet i de stripete skyene (se animasjon til høyre). To nye små satellitter, Adrastea og Metis, ble oppdaget å gå i bane like utenfor ringen, og var de første av Jupiters måner som ble identifisert med et romfartøy. En tredje ny satellitt, Thebe, ble oppdaget mellom banene til Amalthea og Io.

Oppdagelsen av vulkansk aktivitet på månen Io var den største overraskelsen. Det var første gang en aktiv vulkan ble observert på et annet himmellegeme enn jorden. Utbrudd ble registrert fra ni vulkaner på Io i tillegg til andre utbrudd som oppstod mellom de to Voyager-oppdragene.

Europa viste en høyt antall lineære formasjon på lavoppløste bilder fra Voyager 1. I starten trodde forskerne formasjonene kunne være dype sprekker forårsaket av rifter i skorpen eller tektoniske prosesser. Høyoppløste bilder fra Voyager 2, tatt nærmere Jupiter, gjorde forskerne betenkte siden de nesten var fullstendig fraværende i topografiske reliefer. Noen foreslo at sprekkene kunne tilsvare isflakene på jorden, og at Europa kunne ha flytende vann i det indre. Europa kan ha et aktivt indre på grunn av tidevannsoppvarming på et nivå omtrent én tiendedel av Io, og som et resultat av dette antas det at månen har en tynn skorpe av is – mindre enn 30 km – som muligens flyter på et 50 km dypt hav.

Ulysses (1992)

8. februar 1992 fløy Ulysses-sonden forbi Jupiters nordpol i en avstand av  km. Denne manøveren var nødvendig for at Ulysses skulle få en bane med svært høy inklinasjon rundt solen, og økte inklinasjonen mot ekliptikken til 80,2 grader. Kjempeplanetens gravitasjon bøyde romsondens flybane nedover og bort fra det eklipiske planet og plasserte det i en endelig bane rundt solens nordlige og sørlige poler. Størrelsen og formen på sondens bane ble justert til en mye mindre vinkel slik at aphelium forble ved omtrentlig 5 AE (Jupiters avstand fra solen), mens perihelium lå noe utenfor 1 AE (jordens avstand fra solen). Under møtet med Jupiter foretok sonden målinger av planetens magnetosfære, men siden sonden ikke var utstyrt med kamera ble det ikke tatt noen bilder. I februar 2004 kom sonden igjen i nærheten av Jupiter. Avstanden var denne gangen mye større &ndash, ca. 240 millioner km, men det ble gjort ytterligere observasjoner av Jupiter.

Cassini (2000)

thumb|Det mest detaljerte kartet av Jupiter som noen gang er laget ble tatt av Cassini. Denne projeksjonen viser Sydpolen i sentrum, og ekvator langs kanten. I 2000 fløy Cassini-sonden forbi Jupiter på sin ferd mot Saturn og tok noen av de mest detaljerte bildene av planeten noen sinne tatt. Den foretok den nærmeste passeringen 30. desember 2000 og foretok en rekke vitenskapelige målinger i tillegg til at den tok ca.  bilder i løpet av den månedlange forbiflyvningen. Sonden ga det mest detaljerte globale fargeportrettet av Jupiter hvor de minste synlige formasjonenen er ca. 60 km på tvers.

Et viktig funn ved forbiflyvningen, annonsert 6. mars 2003, var sirkulasjonen til Jupiters atmosfære. Mørke belter alternerer med lyse soner i atmosfæren, og sonene, med deres bleke skyer, var tidligere ansett av forskere å være områder med oppstrømmende luft, delvis på grunn av at på jorden har skyer en tendens til å dannes over stigende luft. Cassinis analyser viste imidlertid at de mørke beltene inneholder individuelle stormceller med oppstrømmende lysehvite skyer som er for små til å kunne ses fra jorden. Anthony Del Genio ved NASAs Goddard Institute for Space Studies uttalte at «beltene må være områdene for netto stigende atmosfærisk bevegelse på Jupiter, [så] nettobevegelsen i noen soner må være synkende».