تأسیسات ناسا شامل مراکز پژوهشی، ساخت‌وساز و ارتباطی است تا در مأموریت‌ها به این سازمان کمک کنند. بعضی از این تأسیسات به دلایل تاریخی یا مدیریتی، بیش از یک وظیفه را بر عهده دارند. مرکز فضایی جان اف. کندی، یکی از مشهورترین تأسیسات ناسا است. این مرکز از سال ۱۹۶۸، محل آغاز تمام مأموریت‌های دارای سرنشین ایالات متحده بوده‌است. با وجود متوقف‌شدن این مأموریت‌ها، اجرا و مدیریت تأسیسات پرتاب راکت بدون سرنشین برنامهٔ فضایی غیرنظامی ایالات متحده را از سه سکوی واقع در مجاورت پایگاه نیروی هوایی کیپ کاناورال بر عهده دارد. ناسا همچنین یک راه‌آهن کوتاه در این مرکز راه‌اندازی کرده و از هواپیماهای مخصوصی استفاده می‌کند.
مرکز فضایی جانسون در هیوستون، محلی است که تمام پروازهای دارای سرنشین از آن مدیریت می‌شوند. مرکز فضایی جانسون، مرکز اصلی ناسا در مأموریت‌های مربوط به ایستگاه فضایی بین‌المللی است و بخشی برای انتخاب، آموزش و آماده‌سازی فضانوردان برای ارسال به ایستگاه بین‌المللی و در جهت مأموریت‌های فضایی ایالات متحده و بین‌المللی دارد.
یکی دیگر از تأسیسات اصلی ناسا، مرکز پروازهای فضایی مارشال در هانتسویل، آلاباما است که موشک ساترن ۵ و آزمایشگاه فضایی در آن توسعه داده شده‌است.
ناسا دارای دارای ۱۲ مرکز فضایی به شرح زیر است:
مرکز فرماندهی ناسا در واشینگتن، دی. سی.
مرکز پژوهشی ایمز در فرودگاه صحرایی فدرال موفت، کالیفرنیا
مرکز پژوهشی هوایی آرمسترانگ در ادواردز، کالیفرنیا (پیش‌تر با نام مرکز پژوهشی هوایی درایدن)
مرکز پژوهشی گلن در لوئیس فیلد، اوهایو
مرکز پروازهای فضایی گادرد در گرینبلت، مریلند
آزمایشگاه پیشرانه جت در نزدیکی پاسادینا، کالیفرنیا
مرکز فضایی جانسون در هیوستون، تگزاس
پایگاه فضایی کندی در کیپ کاناورال، فلوریدا
مرکز پژوهشی لانگلی در همپتون، ویرجینیا
مرکز پروازهای فضایی مارشال در هانتسویل، آلاباما
مرکز فضایی جان سی. استنیس در ایالت میسیسیپی
مرکز فرماندهی ناسا به رهبری مدیر سازمان، رهنمودهای کلی و مسیر و راستای سازمان ناسا را فراهم می‌کند. این مرکز خود به چهار سازمان اصلی دیگر تقسیم می‌شود که عبارتند از: مرکز هوانوردی، مرکز اکتشافات و عملیات بشر، مرکز دانش یا علوم و مرکز فناوری فضایی. مرکز پژوهشی ایمز ۶۰ سال قدمت دارد و دارای ۲۵۰۰ کارمند است و بودجهٔ سالانهٔ آن برابر با ۹۰۰ میلیون دلار است. مرکز پژوهشی هوایی درایدن بیشتر بر روی جو و عملیات پژوهش می‌کند. مرکز پژوهشی گلن در سال ۱۹۴۱ توسط کمیتهٔ رایزنی ملی هوانوردی آمریکا تأسیس‌شد که این کمیته زمینه‌ساز تأسیس ناسا بود.
مرکز پروازهای فضایی گودارد بزرگ‌ترین سازمان آمریکایی از نظر دانشمندان، مهندسان و تکنولوژیست‌هایی است که در ساخت فضاپیما، ابزارها و فناوری‌های جدید برای مطالعهٔ زمین، منظومهٔ شمسی و گیتی درگیر هستند. آزمایشگاه پیشرانه جت بخشی از مؤسسهٔ فناوری کالیفرنیا است و پیشروی ناسا برای اکتشافات رباتیک منظومهٔ خورشیدی بوده‌است. مرکز فضایی جانسون مسئول آموزش فضانوردان آمریکا و کشورهای شریک در ایستگاه‌های فضایی است. پایگاه فضایی کندی نیز مرکز پرتاب فضاپیماهای دارای سرنشین ناسا مانند فضاپیماهای پروژهٔ مرکوری و شاتل‌های فضایی (هر دو در گذشته) و همچنین فضاپیماهای پیشرفتهٔ ناسا است.
در سال ۱۹۱۷ و تنها ۱۴ سال پس از نخستین پرواز برادران رایت، آمریکا نخستین آزمایشگاه غیرنظامی خود را ساخت تا رازهای پرواز را کشف کند. این آزمایشگاه غیرنظامی، مرکز پژوهشی لانگلی بود. از مرکز پروازهای فضایی مارشال برای پرتاب فضاپیماها استفاده می‌شود. نقش مهم مرکز فضایی جان سی. استنیس آزمایش نیروی محرکه و پیشرانهٔ موشک است. مرکز فضایی والوپ نیز که توسط کمیتهٔ رایزنی ملی هوانوردی آمریکا در سال ۱۹۴۵ تأسیس‌شد، مرکز اصلی ناسا برای مدیریت و اجرای برنامه‌های پژوهشی زیر مداری است.
علاوه بر این مراکز، ناسا مدیریت تعداد زیادی تأسیسات دیگر را، از جمله تأسیسات پروازی ولوپس در جزیره ولوپس، ویرجینیا، کارخانه مونتاژ میشو در نیو ارلینز، لوئیزیانا، تأسیسات آزمایشی وایت‌سند در لاس کراکس، نیو مکزیکو و مراکز شبکه فضای دوردست ناسا در گلدستون، کالیفرنیا، مادرید، اسپانیا و کانبرا، استرالیا، بر عهده دارد.
