2001年， 马斯克被董事会逐出，Paypal已不再属于马斯克。 他举家搬迁至洛杉矶，来到洛杉矶后，马斯克想起了儿时的火箭飞船和太空旅行的梦想，马斯克意识到这是比互联网更伟大的使命，这个时候他甚至读起了一本晦涩的苏联火箭手册。
马斯克加入了一个火星学会的非营利组织，这一组织致力于火星探索和火星定居， 马斯克当时对太空的了解还非常有限，但是他具有非常科学的思维方式，他想清楚地了解火星学会关于火星的计划，以及这些计划的意义，于是他加入火星学会，并加入了董事会。
马斯克当时患了疟疾,整个人瘦骨如柴，在没有任何征兆情况下，马斯克会和朋友说起他的志向，说他希望用一生去完成一些有意义的、永恒的事情。他的下一个目标是太阳能或者太空，马斯克说：“从逻辑上来说，我的下一个目标应该是太阳能，但我想不出如何从中盈利。”
随着对太空的思考越多，他越意识到探索的重要性，他感觉大众好像已经丧失了对未来的雄心和希望，人们可能会觉得探索太空是一件浪费时间和精力的事情，马斯克登录NASA的网站，本来期望在网站上找到一些关于火星探索的详细计划，但一点相关内容都没找到。“为什么一点计划和安排都没有？什么都没有。真是疯了。” 马斯克有一次对《连线》杂志的记者说。
马斯克在太空领域的人脉已初具规模，他希望做一件能够触动全人类的、能令世界瞩目的事情，让人们再次想起火星，思考人类的潜能。马克思退出了火星学会的董事会，并成立了自己的组织 ——火星生命基金会 （Life to Mars Foundation）。
2001年7月，马斯克打算从俄罗斯购买一枚翻新的洲际弹道导弹，用作运载火箭，为此他说服了坎特雷尔，"人类应该成为一种跨行星物种”，坎特雷尔表示如果马斯克是认真的，他愿意再去一次俄罗斯，帮他买一枚火箭回来。
2001年10月，马斯克、坎特雷尔和大学时期的好友阿德乘飞机一同前往莫斯科，阿德一直守护着马斯克，并设法弄清楚自己最好的朋友是否已经失去理智。阿德让马斯克看了一系列关于火箭爆炸的视频，劝他不要再浪费钱了，但这些办法都没有见效。在4个多月的时间里，他们和俄罗斯人碰头三次。马斯克打算以2000万美元购买三枚弹道导弹，改装以后送上太空。借着酒劲，马斯克开门见山地问对方，买一枚导弹需要多少钱。对方回答说：每枚800万美元。马斯克还价到800万两枚。“他们就做在那儿，看着他”坎特雷尔说，“好像说了'小伙子，别闹了' 这样的话。他们还讽刺他没那么多钱。” 马斯克觉得俄罗斯人没有诚意，最后，他愤然离席。
马斯克一行人的情绪跌至低谷。当时是2002年2月，马斯克来俄罗斯的时候信心满满，心想自己马上就能为全人类带来一场翻天覆地的变化，如今却铩羽而归，对人性感到失望至极，以马斯克的预算，他们只买得起俄罗斯人的火箭。马斯克坐在他们前面一排，正在电脑前打字，突然马斯克转过身来，亮出他制作的电子表格。“兄弟们”， 他说，“我觉得我们可以自己造火箭”。
刚开始，格里芬和坎特雷尔对他的白日梦提不起兴趣，以为这只是马斯克的春秋大梦，但是马斯克说：“不，我是认真的，你看这个表格”， 马斯克把他的笔记本电脑递给格里芬和坎特雷尔，他们惊呆了，表格里详细列明建造，装备和发射一枚火箭所需的成本。马斯克用了几个月的时间研究航天工业及其背后的物理原理，他从坎特雷尔和其他人那里借来了《火箭推进原理》《天体动力学基础》《燃气涡轮和火箭推进的空气动力学》，还有其他各种专业书籍。马斯克仿佛又找到了童年时的状态，他努力吸收关于太空的一切知识，在这一系列近似冥想的学习过程中，他终于意识到，自己可以制造火箭，而且也应该比俄罗斯人的更便宜。
2002年4月,马斯克将坎特雷尔、格里芬、米勒（火箭专家）和波音公司的航空工程师克里斯召集起来，对他们说：“我想开一家太空公司，如果你们想入伙，那我们就开始干吧。” 格里芬婉拒了马斯克，坎特雷尔观望了几个月就走了，他认为这家公司风险太大。2002年6月， SpaceX公司成立。
马斯克宣布SpaceX的第一枚火箭名为“猎鹰1号”， 当时发射一枚550磅载荷火箭的成本至少需要3000万美元，但马斯克承诺，“猎鹰1号”将能够搭载1400磅的载荷，并且只需要花费690万美元。
马斯克为这一目标设置了近乎疯狂的时间表。SpaceX最早的一份报告显示，公司计划在2003年5月和6月份分别制造出第一台和第二台火箭推进器，7月完成火箭机身的生产，8月一切装备完成，发射台将在9月份准备完毕，首次发射将于2003年11月进行。
SpaceX打算独立从事“猎鹰”号火箭的全部开发工作，包括两台火箭推进器、涡轮泵、低温贮罐结构和制导系统。对于渴望探索太空的年轻航天人才来说，这是第一次有机会进入一家有趣的公司，设计火箭，甚至成为一名宇航员，而不需要加入一家官僚主义横行的政府承包商。SpaceX的雄心壮志传遍业界，许多喜欢冒险的顶级工程师纷纷从波音公司、洛克希德马丁公司和轨道科技公司离职，来到这家行业新贵工作。
2004年初，SpaceX本来计划发射火箭，但最终计划没能成行。 米勒及其团队制造的“灰背隽”引擎是有史以来最高效的火箭引擎。测试引擎所花的时间比马斯克的预期久了一点。最终，2004年秋，引擎达到了发射要求。很快，大家发现引擎还是存在很多重大问题。航空电子设备，包括导航、通信和火箭整体管理系统都成了噩梦。这种情形持续了6个月。最终，2005年5月，SpaceX将火箭运送至距离工厂180英里处的范登堡航空军基地进行试发射，最后在发射台完成了一次为时5秒的点火，由于在范登堡需要排队数月才能发射。其后2005年6月，SpaceX决定将发射地点改在赤道附近的夸贾林环礁。
2005年11月，在SpaceX团队登岛后的6个月，SpaceX团队一切准备就绪，可以发射火箭了，马斯克和他的兄弟金巴尔也来到岛上，和其他团队成员一起住在夸贾林。11月26日，SpaceX准备发射火箭，军方给了SpaceX6个小时的发射时间，当进行发射前检查时，工程师们发现了一个重大问题，液态氧气罐上的一个阀门无法关闭，导致液态氧以每小时500加仑的速度蒸发到空气中。SpaceX团队赶紧修理了阀门，但火箭损失了太多燃料，无法在发射期限内进行发射。之后又出现了更多的问题，阻碍了发射进程。
2006年3月24日，终于万事俱备。“猎鹰1号”矗立在方形发射台上，准备点火，它冲上云霄，大约25秒后，他们发现发射并不顺利，本来垂直向上飞的火箭突然开始旋转，最后失控坠落到地面。马斯克在事后分析报告中这样写道，“一个朋友告诉我，飞马火箭发射了9次，只有5次成功了；阿丽亚娜火箭发射了5次，只有3次成功；阿特拉斯火箭发射了20次，只有9次成功；联盟号火箭发射了21次，只有9次成功；质子号火箭发射了18次，只有9次成功。在直接体验进入轨道有多难之后，我对那些坚持制造火箭的人充满了敬佩之情，他们是当今太空发射事业的中流砥柱，” 马斯克在文章的最后写道，“SpaceX将继续努力，无论上天入地，不成功誓不罢休。”
一年后，SpaceX准备好再次进行火箭发射。2007年3月15日，试点火成功。3月21日，“猎鹰1号”终于升空，它飞了几分钟，工程师们在这期间一直报告系统一切正常，处于极佳的状态。3分钟后，火箭第一级解体，并掉落地球，“茶隽”引擎按计划开始启动，准备将第二级送入轨道，控制室内爆发出一阵欢呼声，一切都按计划实现了。但后来火箭又开始摆动，最后爆炸了，这一次，SpaceX的工程师很快就找到了发生故障的原因。由于推进燃料逐渐被消耗，燃料罐中剩下的燃料开始在罐子里来回旋转搅动，晃动的推进燃料引起火箭摆动，达到一定程度时，引擎的一个开口暴露出来。当大量空气进入引擎时，就燃烧起来了。
这次失败对于SpaceX的工程师来说是一次致命的打击。他们中的很多人两年来在加州、夏威夷和夸贾林疲于奔命，距离马斯克最初目标已经过去了4年，SpaceX的资金可能只够再进行一两次发射，尽管财务状况让马斯克变的很焦躁，但他几乎从不把这一面表现在员工面前。他总是告诉大家精益和成功的重要性，他从来不会说“如果我们失败了，那就结束吧”。
2008年8月2日，“猎鹰1号”准备第三次发射，“猎鹰1号”在没有任何问题的情况下成功升上天空。加州的SpaceX的员工们通过网络直播观看了发射全程，大家激动得欢呼起来。然而就当一级箭体和二级箭体分离时，火箭突然发生故障。事后人们分析发现，在分离的工程中，新的引擎突然产生没有预料到的巨大推力，导致一级火箭和二级箭体相撞，从而造成火箭的顶端和引擎损坏。
这次发射失败让SpaceX军心大乱，那就像是世界末日，所有人都身心疲惫。马斯克安慰员工并鼓励大家回到岗位继续工作。他说：“看，我们必须得完成它。不要害怕，一切都会好起来的。”
SpaceX的第四次发射于2008年9月28日举行。SpaceX的员工们在此之前已经连续6周不停歇地轮换工作。他们作为工程师的骄傲、希望与梦想都在此一搏。他们之间的许多人已经在岛上工作了好几年，体验过人类史上超现实的工程师工作。他们远离自己的家人，在炎热的天气里被流放到发射岗位上——有时甚至没有足够的食物——静静等待每天发射结束后舱门打开，处理发射中止后的问题。如果这次发射成功，他们所经历的煎熬与汗水才没有白费。
28日下午，“猎鹰1号”推上了发射台，当火箭节节攀升，SpaceX总部的员工爆发出了热烈的欢呼声。接下来离开小岛，一级箭体脱离，二级箭体经过90秒后的启动开始飞行，二级箭体的引擎“茶隽”开始了长达6分钟的燃烧，整流罩在发射后大约3分钟时打开并落回地面。最终，在9分钟的旅途过后，“猎鹰1号”按计划停止工作，世界上第一枚私人建造的火箭完成了此次壮举，进入了轨道。500个人花费了6年时间——比马斯克原计划多了四年半，终于创造了这个现代科学和商业的奇迹。
“那感觉真是太棒了，”马斯克说，“有许多人说我们不可能成功，事实上是很多很多人，但就算他们这样说，'命运不会总和我们作对， 第四次总该成功'， 不是吗？ 世界上完成这种壮举的国家屈指可数，这种项目一般是由国家来完成的，而不是某家公司，我的脑子有点混乱，我什么都说不出来，但是，天啊！这绝对是我人生中最棒的一天！我想这里大部分人都这样想。我们告诉所有人我们做到了！这只是未来许多计划中的第一步 ”
其后SpaceX以其价格低廉成为重要的火箭发射公司，并且获得了NASA的巨大订单，同时马斯克也开始传播他的火星殖民梦想，不管未来如何，马斯克和SpaceX团队给全世界的工程师带来了骄傲，同时给人类带来了新的希望，他们让科学技术得以闪光，马斯克所做的一切比大多数商业成功的互联网公司而言重要的多。
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