引力波会影响行星际航天器通信信号的返回时间，美国国家航空航天局和欧洲空间局都在进行侦测这一效应的实验。例如，对于正在木星和土星附近的航天器（包括卡西尼－惠更斯号等），其信号返回时间在2至4×103秒的数量级。引力波会导致信号时间的变化，如果事件的时间短于这一数量级，那么，按照三项公式这种变化样式会出现三次：一次是引力波经过地面的发射器，一次是经过航天器，一次是经过地面的接收器。搜寻这样的引力波信号需要在数据分析中采用模式匹配算法。利用两个不同的发射频率和很稳定的原子钟，灵敏度的量级估计可以达到10-13，并有可能进一步提高到10-15。
脉冲星是宇宙的计时器，其中，毫秒脉冲星的计时功能最为规律。毫秒脉冲星所发射的电磁辐射抵达地球的时间，可以被预测至纳秒精确度。由于脉冲星所发射的信号具有极高的规律性，所以可以从观察到在计时方面的不规律性，估算出随机背景引力波的上限。
脉冲星计时阵列用一组脉冲星的脉冲讯号抵达时间来寻找任何有关联的信息。在地球与脉冲星之间的时空会被通过的引力波弯曲，从而导致脉冲星所发射的脉冲讯号传播至地球的时间有所改变。由毫秒脉冲星组成的脉冲星计时阵列可以用来寻找有关联的改变，从而探测出引力波。
当今，主要有三个实验正在进行：北美纳赫引力波天文台、欧洲脉冲星计时阵列与帕克斯脉冲星计时阵列。为了共同分享实验数据，这三个实验团队又组成国际脉冲星计时阵列。未来，会有更多更具功能的实验陆续参与探测引力波，例如，平方千米阵与位于荷兰的低频阵列。
在低频波段（低于1赫兹），任何引力波源的低频引力波到达地球时，振幅都会比地球上的低很多；处于太空中的探测器则不会受到地球环境的影响。在欧洲空间局的LISA计划中，探测频率波段为0.0001赫兹至0.1赫兹的低频引力波，由三个同样的航天器组成边长为250万公里的等边三角形，整体沿地球轨道绕太阳公转。LISA的干涉臂长超过任何频率高于60毫赫兹的引力波的半波长，在这个范围内三项公式成立。每一个航天器内部都载有一个30cm望远镜与2瓦特激光系统。
与地面干涉仪不同的是，由于航天器相距很远，激光在传播途中的大幅衰减造成LISA不能使用单纯的平面镜来反射激光，采用光学锁相的办法，将要发射信号的相位锁至接收信号的相位上再将其发射出去。这一过程原理上是一个光学转发器，其效果和地面干涉仪的平面镜反射是相同的，本质上相当于激光从一个航天器发射，到达另一个航天器后再返回，这个延迟信号与本地的原始信号发生干涉，LISA主要就是测量这种干涉信号的相位。
对LISA而言，来自外界的影响主要是太阳的辐射压和太阳风的动压强。为了减小这些影响，满足广义相对论实验验证的严格要求，LISA采用了先进无阻尼技术，使用航天器本身作为内部测试质量的防护罩，保护测试质量不被外界影响，促使测试质量能够自己沿着测地线运动，呈自由落体状态，与航天器没有任何牵缠，航天器对测试质量的位置作出精确的监测，并且自动开启喷气来改变位置，使得自己与测试值量之间维持安全距离，避免任何接触。因此，航天器需要装制能够精确给出微小推力的推力器。为了成功达成任务，LISA必须具备三个关键技术：先进的推力器、超灵敏的加速度计、能够连续几年稳定发射2瓦特功率的红外激光。于2015年发射升空的激光干涉空间天线开路者号（LISA Pathfinder）已成功测试了这些技术，为LISA铺设了康庄大道。
欧洲空间局计划于2030年发射LISA，任务为期4年，可延长至10年。LISA的主要的任务为，研究银河系内的双星系统的形成与演化、探查致密星体绕著大质量黑洞的公转动力学、追溯超大质量黑洞的并合起源与演化、解析恒星黑洞的天体物理学、探索引力与黑洞的基本秉性、估算宇宙膨胀的速率、了解随机引力波背景的起源与意涵。
除了LISA以外，另外还有几个在空间类似运作的激光干涉引力波探测器计划。分赫引力波干涉天文台计划的操作频带为0.1-10Hz，在LISA与地面探测器的操作频带之间，主要目的是直接观测宇宙的初始，即在大爆炸后10-10秒之瞬间，从而试图揭露宇宙的奥妙起源。更具野心的大爆炸天文台是美国太空总署的计划，操作频率与分赫引力波干涉天文台 相同，意图探测宇宙暴胀所导致的引力波背景。
