1996년 우주센터의 건설·운영 계획이 포함된 국내 최초의 우주개발계획인 「국가우주개발중장기본계획」이 종합과학기술심의회에서 의결되어 2010년까지 우주센터를 건설하기로 하였다. 하지만 우주센터 건설 사업은 대외여건의 변화로 인하여 1998년 〈과학기술장관회의〉에서 기본계획이 일부 수정되었다. 2001년 우리나라가 미사일기술통제제도(Missile Technology Control Regime: MTCR)에 가입함에 따라 우주발사체의 국제공동개발 논의가 본격화되면서 이에 따른 국제협력 문제로 인하여 소형위성발사체 개발 및 소형위성급 우주센터 개발 일정, 그리고 실용위성 발사체 개발 및 실용위성급 우주센터 건설 일정을 수정하여 2005년 5월 「우주개발중장기기본계획」에 반영하였다.
1999년부터 우주센터를 건설하기 위한 조사·분석 연구와 사전 기초 연구, 기본 계획 수립 등의 연구가 수행되었다. 우주센터를 건설하기 위해서는 발사장 주변에 안정 영역 확보, 개발하고자 하는 발사체의 비행 영역 및 각단 낙하 지역에서의 안정성이 확보될 수 있는 위치를 선정하는 것이 중요하다. 발사체가 대기권을 벗어나 정상적으로 궤도에 진입하기까지는 보통 3단계 이상의 단 분리가 필요하다. 만약 발사체가 다른 나라의 영공을 비행하는 경우에는 외교적인 문제가 발생할 수 있으므로 이에 대한 검토 또한 중요한 입지 요건이 된다. 또한 발사장 및 부대시설의 용이성, 도로, 항만, 전기, 용수 등의 기반시설 확보 여부, 해당 지역의 지방자치단체 및 주민 의견 등을 고려하여 우주센터의 최종 위치를 선정해야 한다.
과학기술부에서는 2001년 1월 한국항공우주연구원의 기본조사연구를 바탕으로 안전 영역 확보, 발사각도 및 주민 이주에 따른 보상 등 다각적인 인지를 검토한 결과 최종적으로 전남 고흥군 외나로도를 우주센터 건설 부지로 선정하였다. 우주센터가 들어서는 외나로도는 동경 127.3°, 북위 34.26°에 위치하며 1981년 다도해 해상국립공원으로 지정되었다. 나로도는 고흥 내륙과 연륙교로 연결된 내나로도와 내나로도와 연도교로 이어지는 외나로보로 구성되어 있다. 우주센터는 외나로도 동남단에 위치한 150만평의 부지에 건설되며, 최대한 자연 공간을 유지, 확보하여 친환경적으로 건설하기로 하였다.
우주센터의 토목공사는 2001년 4월 설계용역에 착수하여 2001년 12월 토목기본 설계가 완료되었으며, 2003년 8월 건설현장에서 역사적인 기공식을 거행하였다. 그 동안 총 150만평의 부지의 매입을 완료하였으며, 2004년에는 어업권에 대한 보상 협상을 완료하여 주민들의 이주에 착수하였다. 제주도 남제주군 표선면 하천리 일원에 위치한 제주 추적소는 2005년 4월에 착공하였다.
2009년 6월 16일 나로우주센터가 완공되어 개소되었다. 발사 통제실, 로켓 추적 레이더동 등 13개 건물이 산재해 있는 우주센터는 3,124억원을 투입하여 8년 반 걸려 구축되었으며, 우리나라는 세계 13번째로 우주센터를 보유하게 되었다.
우주센터에 설치된 주요 시설로는 발사통제동, 위성시험동, 발사체 종합조립동, 고체모터동, 광학장비동 등이 있으며, 우주발사체의 비행경로 추적 및 비행 정보를 수신하는 추적 레이더와 원격 자료 수신 장비 운용을 위한 제주 추적소, 순조로운 발사 운용에 필요한 각종 기상 자료를 확보하기 위한 기상관측소 등으로 구성되어 있다. 또한 발사 작업을 직접 지원하는 시설 이외에 우주센터 방문객들에게 우주기술 개발의 중요성을 홍보할 수 있는 우주과학관(홍보관)도 건설되었다.