Для эксперимента были выбраны не породистые собаки, а дворняжки, поскольку они более выносливы и неприхотливы. Для полетов отбирались животные весом не более 6 кг, ростом (в холке) не выше 35 см. Подготовка собак велась в специальной лаборатории Научно-исследовательского института авиационной медицины (НИИ АМ) ВВС Минобороны СССР (ныне - Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины Минобороны РФ, ГНИИИ ВМ; Москва).
Основной целью эксперимента, было исследование влияния факторов космического полёта на организм животных и других биологических объектов (перегрузка, длительная невесомость, переход от перегрузок к невесомости и обратно), изучение действия космической радиации на животные и растительные организмы, на состояние их жизнедеятельности и наследственность, отработка систем, обеспечивающих жизнедеятельность человека, безопасность полёта и благополучное возвращение на Землю. Также было проведено несколько медико-биологических экспериментов и научных исследований космического пространства.
В рамках подготовки к полетам человека в космос, а также в дальнейших космических экспериментах принимали участие более 40 собак.
С июля 1951 г. по июнь 1960 г. с полигона Капустин Яр в Астраханской области проводились запуски в стратосферу геофизических ракет (Р-1Б, Р-1В, Р-1Д, Р-1Е, Р-2А, Р-5А разработки Сергея Королева, главного конструктора ОКБ-1, ныне - РКК "Энергия" им. С.П. Королева) с собаками на борту. Первый состоялся 22 июля 1951 г.: ракета Р-1В подняла на 110-километровую высоту специальную герметическую кабину с собаками по кличке Дезик и Цыган, животные благополучно приземлились на парашюте. Всего было осуществлено 29 таких полетов (21 успешно). В них участвовали 36 собак (некоторые летали по несколько раз), из которых 15 погибли.
Белка и Стрелка являлись дублёрами собак Чайки и Лисички, которые
погибли при неудачном старте 28 июля 1960 года. На 19-й секунде полёта у ракеты-носителя разрушился боковой блок первой ступени, в результате чего она упала и взорвалась.
Первым живым существом, побывавшем в космосе, стала собака Лайка. Стартовав 3 ноября 1957 г. с космодрома Байконур на втором искусственном спутнике Земли ("Спутник-2"), она несколько часов провела в невесомости. Погибла на орбите от удушья и жары из-за нагрева космического аппарата, поскольку в то время еще не были проработаны технологии для мягкого спуска аппаратов на Землю.
Первыми собаками, побывавшими на орбите и благополучно вернувшимися на Землю, стали Белка и Стрелка.
19 августа 1960 г. животные стартовали с Байконура на корабле-спутнике ("Спутник-5") - прототипе корабля "Восток".
Собаки были размещены в специальном контейнере в катапультирующей установке кабины корабля, для полета им сшили костюмы красного и зеленого цветов.
Во время старта и набора высоты у собак наблюдались сильно учащённые дыхание и пульс, но когда корабль был выведен на орбиту, они успокоились.
Катапультируемый контейнер, в котором находились собаки и другие био-объекты, был одним из вариантов контейнера, разработанного для будущих полётов человека. В контейнере были расположены кабина для животных с лотком, автоматом кормления, ассенизационным устройством, системой вентиляции и т. п., катапультные и пиротехнические средства, радиопередатчики для пеленгации после приземления, телевизионные камеры с системой подсветки и зеркал, блоки с ядерными фотоэмульсиями.
Система жизнеобеспечения, установленная в кабине корабля-спутника, полностью обеспечивала нормальную жизнедеятельность животных. Давление, температура и влажность воздуха в кабине корабля обеспечивались системами жизнедеятельности в пределах установленной нормы. Периодически проводилась очистка воздуха. Автоматы кормления обеспечивали пищей и водой Белку и Стрелку два раза в сутки, в рамках эксперимента по возможности приёма пищи в невесомости. Регистрацию физиологических функций в течение всего полёта обеспечивал специально разработанный комплект медицинской исследовательской аппаратуры. Установка для регенерации воздуха содержала специальное регенерационное вещество, которое поглощало углекислоту и водяной пар и выделяло при этом необходимое количество кислорода. Запас регенерационного вещества обеспечивал потребности животных в кислороде в течение продолжительного времени.
Видеоинформация, передававшаяся с борта корабля во время прохождения корабля-спутника в зоне действия наземных приемных пунктов, регистрировалась на кинопленку. В дальнейшем при просмотре этой пленки можно было определить, как вело себя животное в определенный момент и какие физиологические изменения в этот период происходили. Кроме того, информация, накопленная во время нахождения корабля вне зоны видимости наземных служб, передавалась на Землю позднее. В полете регистрировались частота пульса, дыхания, артериальное давление (в сонных артериях), электрокардиограммы, фонокардиограммы (тоны сердца), двигательная активность животных и температура тела. Координация движения животных изучалась с помощью телевидения и контактно-реостатных датчиков, воспринимавших движения животных и передававших о них по телеметрии. Медицинская информация с борта корабля-спутника передавалась на наземные радиотелеметрические системы. Врачи-физиологи обрабатывали полученные данные и специальным кодом передавали их в центр управления полетом. Информация обрабатывалась с помощью ЭВМ.
После стресса, вызванного взлетом, Белка и Стрелка вели себя спокойно, вначале даже немного вяло. Несмотря на перегрузки и вибрацию вначале, собаки с аппетитом ели свою специализированную пищу. Состояние невесомости не оказывало существенного воздействия на систему кровообращения. Температура тел собак не изменялась в течение всего полета. Однако после четвертого витка вокруг Земли Белка почему-то стала крайне беспокойна, пыталась вырваться из привязных ремней и лаяла. Ее стало тошнить. Несмотря на это, послеполетные анализы не выявили у Белки особых отклонений от нормы. Через несколько часов после старта выяснилось, что на корабле отказал датчик инфракрасной вертикали, поэтому для предпосадочной ориентации была использована резервная система ориентирования по солнцу.
На околоземной орбите они находились 25 часов, совершив 17 витков вокруг Земли. 20 августа ТАСС сообщил: "Корабль-спутник и отделившаяся от него капсула с подопытными животными благополучно приземлились... Собаки Белка и Стрелка после полета и приземления чувствуют себя хорошо". Для наблюдения за ними на борту корабля была установлена радиотелевизионная система "Селигер" с двумя телекамерами, изображение фиксировалось на кинопленку.
После полета собаки жили в вольере НИИ АМ. Через несколько месяцев Стрелка принесла потомство - шесть щенков. Одного из них по личному распоряжению Никиты Хрущева подарили супруге президента США Джона Кеннеди - Жаклин. В настоящее время чучела Белки и Стрелки экспонируются в московском Мемориальном музее космонавтики. К 50-летию полета собак, в марте 2010 г. на экраны вышел мультфильм "Белка и Стрелка. Звездные собаки".
Позднее успех Белки и Стрелки был закреплен удачными полетами других собак. Впрочем, было и два аварийных запуска, приведшие к гибели 4 животных.
Незадолго до старта Юрия Гагарина, 25 марта 1961 г. собака по кличке Звездочка на корабле-спутнике "Восток" полностью проделала путь, который предстоял первому космонавту: взлет, один виток вокруг Земли и посадка. После ее благополучного возвращения было принято окончательное решение о полете человека в космос.
Всего в космосе, в рамках проводимых Советским Союзом исследований, побывали 9 собак. Последними были Ветерок и Уголек. Стартовав 22 февраля 1966 г. с Байконура, они установили рекорд по продолжительности полета - провели на орбите 22 дня.
В память о животных, погибших в научных экспериментах, в 1958 г. перед Парижским обществом защиты собак была воздвигнута гранитная колонна. Ее вершину венчает устремленный ввысь спутник, из которого выглядывает мордочка Лайки.
На острове Крит (Греция), на территории музея Homo Sapiens, установлен памятник собакам - Лайке, Белке и Стрелке. В Москве на здании лаборатории ГНИИИ ВМ, где готовили Лайку к полету, была открыта мемориальная доска (1997), перед институтом установлен памятник Лайке (2008). В Ижевске в 2006 г. был открыт памятник собаке Звездочка.