Međuzvjezdane letjelice, ili letjelice sposobne za putovanja između solarnih sustava, trebale bi biti znatno naprednije od međuplanetarne letjelice koju je čovječanstvo već izgradilo. Dok se udaljenost između planeta u ovom solarnom sustavu može mjeriti u svjetlosnim minutama ili svjetlosnim satima, udaljenosti između zvjezdanih sustava obično su deseci svjetlosnih godina. Budući da su solarni sustavi tako mali u odnosu na golema prostranstva praznog prostora u koji su ugrađeni, bit će nužni visokoprecizni navigacijski i pogonski sustavi kako bi međuzvjezdana letjelica uspješno stigla do cilja.
Jedna od prednosti međuzvjezdanog putovanja je gotovo vakuum svemira; jednom kada pokrenete neki predmet, postoji mali otpor koji bi ga usporio. Međutim, sa suvremenom kemijskom raketnom tehnologijom, ubrzanje bilo kojeg objekta do brzine iznad mnogih tisućinki brzine svjetlosti bilo bi izuzetno teško. Da bi se napravila međuzvjezdana svemirska letjelica, priznato je da kemijske rakete na kruta goriva neće biti dovoljne i da se moraju osmisliti nove metode pogona.
Druga velika tehnička prepreka u stvaranju međuzvjezdane letjelice je osigurati da njezini putnici ostanu udobni i psihološki spremni tijekom cijelog putovanja, što bi moglo potrajati stotine ili tisuće godina. Međuzvjezdana svemirska letjelica vjerojatno bi morala služiti kao autonomna svemirska kolonija, u kojoj se možda nalaze generacije pojedinaca i sredstva za njihov opstanak i prosperitet. Predložene alternative uključuju sustave suspendirane animacije ili ljude genetski modificirane da žive dulje, jedu manje ili budu otporni na dosadu.
Jedan od prvih konkretnih prijedloga za međuzvjezdanu letjelicu dolazi iz projekta Orion, koji je rođen 1958. u General Atomicsu u San Diegu. Projekt, za koji nekolicina atomskih znanstvenika vjeruje da je praktičan s današnjom tehnologijom, uključuje brod opremljen masivnim amortizerom, potaknut naprijed eksplozijama termonuklearnih bombi izbačenih iz stražnjeg dijela letjelice. Bombe bi isparile dio ploče za eksploziju (neki oblik plastike je ocijenjen kao optimalan), što bi služilo kao pogonsko gorivo za postizanje potiska. Mnogi deseci znanstvenika i inženjera ozbiljno su razmišljali o izgradnji svemirske letjelice Orion 60-ih i korištenju njome za putovanja oko Sunčevog sustava 70-ih i 80-ih, ali je projekt odložen zbog političke osjetljivosti nuklearnog oružja.
Drugi, napredniji oblik predložene međuzvjezdane letjelice je Bussard ramjet. Ovaj ramjet bi se sastojao od divovske lopatice na prednjoj strani letjelice, dizajnirane da usisava međuzvjezdani vodik mnogo na način na koji mlazni motor usisava zrak. Jezgre vodika bi se spojile u proton-protonskim reakcijama, dajući energiju za potisak. Iako je količina vodika koji slobodno pluta u međuzvjezdanim prostorima difuzna, mnogo bi se vodika moglo prikupiti ako bi se letjelica kretala brzinom koja je blizu svjetlosti, kako to zahtijeva njegov dizajn. Izračunato je da bi se takav brod mogao kretati oko 16% brzine svjetlosti.
Još jedna predložena svemirska letjelica je solarno jedro. Budući da čak i sunčeva svjetlost vrši određeni pritisak na površine, mogla bi se koristiti za guranje tereta pričvršćenog na gigantsko solarno jedro. Takvo bi jedro trebalo biti široko mnogo kilometara, ali možda samo nekoliko atoma debelo, ovisno o korištenom materijalu. Grafen, posebno jak i tanak raspored ugljikovih atoma, mogao bi biti jedan od potencijalnih kandidata. Čvrsto namotan, teret koji se sastoji od samo nekoliko stotina tona mogao bi biti dovoljan za pokretanje solarnog jedra sposobnog ubrzati korisni teret do značajnog djelića brzine svjetlosti. Jedini problem je usporavanje nakon što dosegnete svoj ciljni zvjezdani sustav, zadatak koji bi se mogao dodijeliti nuklearnim retro-raketama.
Razmatrane su mnoge druge vrste međuzvjezdanih letjelica, kako u ozbiljnom kontekstu tako i u znanstvenoj fantastici. Popularno se raspravlja o svemirskim letjelicama koje koriste crvotočine ili “savijanje” prostor-vremena, iako takvi dizajni obično zahtijevaju ili ogromne količine energije (otprilike onoliko koliko sunce oslobodi u nekoliko minuta) ili korištenje negativne materije, egzotične forme materije koja može, ali i ne mora postojati. Stvaranje brodova koji koriste stvarna pogonska goriva za postizanje potiska daleko je realnije, iako je njihovo stvaranje vjerojatno desetljećima daleko, s obzirom na našu trenutnu tehnologiju. Uzimajući u obzir uistinu radikalne posljedice međuzvjezdanih putovanja i kolonizacije, nekoliko desetljeća jedva da se čini dugo vremena za čekanje.