2021年，世界将更多的目光投向了太空。除了我国“天宫”空间站在轨组建工作全面展开引发全球关注，多国的火星探测项目也纷纷抵达预定目标，开始执行探测任务。辽阔的星际空间给了科学探索无数的想象和期待。而在这颗蓝色的地球上，科学家仍在拓展科学的边界。AlphaFold2算法的开源很有可能极大地改善与蛋白质结构相关的研究；首次实现从头合成淀粉，也成为人工合成天然大分子领域的一次飞跃。
尽管仍处于新冠疫情的阴影下，不断涌现的特效药让人们看到了击退疫情的希望；“双碳”行动的积极推动，也让我们有理由期待更加绿色和更加宜居的未来。
2021年4月29日，“天和”核心舱发射升空并顺利抵达轨道，标志着我国“天宫”空间站在轨组建工作全面展开。6月17日，神舟十二号载人飞船将3名航天员送入“天和”核心舱，航天员随后开展了3个月的太空任务，并于9月17日顺利返回。
10月16日，神舟十三号载人飞船发射升空，“天和”核心舱再次迎来3名航天员，这是空间站关键技术验证阶段的最后一次飞行任务。中国空间站预计于2022年年底前建成，由一个核心舱和两个实验舱组成。空间站开启常态化运行后，将有3名航天员作为一个乘组长期驻留，定期轮换。此外，随着国际空间站的退役时间临近，中国的“天宫”空间站很有可能在未来成为唯一可用的空间站。
2021年5月22日，我国首次火星探测任务“天问一号”着陆巡视器携带的火星车“祝融号”安全驶离着陆平台，到达火星乌托邦平原表面，开始巡视探测。这意味着中国成为了首个一次完成绕、落、巡三大任务的国家。美国“毅力”号火星车也于2021年2月直接进入火星大气层，并成功着陆。4月，在“毅力”号的注视下，“机智”号无人机完成了在火星的首次飞行。
与此同时，阿联酋的“希望”号探测器也成功进入火星轨道，开始拍摄火星图像。3台火星探测器已经纷纷抵达目标地点并开始正常工作，未来它们将传回大量与火星相关的重要信息。
2021年4月7日，美国费米国家实验室缪子g-2实验的数据公布，实验测到的缪子磁矩与理论预测之间存在明显的偏差，然而，偶然误差导致这种偏差的概率仅有1/40000。
标准模型是目前描述基本粒子和基本作用力的最佳模型，面对最新的实验结果，科学家不得不思考：理论与实验结果之间的这种偏差究竟是源自标准模型深层次的误差，还是存在标准模型之外的作用力和粒子。在未来，第二、三次的实验数据会逐步公布，修正后的理论计算结果也会逐步出炉。如果到时实验数据和理论值之间仍然存在不可忽略的偏差，那它很有可能会动摇现代物理学大厦的根基。
2021年9月，中国科学院的研究团队宣布，他们从头设计了11步反应路径，利用无机催化剂和生物酶，首次在全球实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。在自然界，植物需要通过光合作用把空气中的二氧化碳转化为淀粉，这个过程涉及60多步反应，且只有2%左右的能量转化效率。这项研究不仅能合成与天然淀粉结构几乎一致的淀粉分子，还比天然合成路径更高效。
它的能量转化效率约是自然光合作用的3.5倍，淀粉合成速率更是天然合成的8.5倍。这项研究是从头合成生物大分子的一次里程碑式突破，也是模仿甚至超越自然合成机制的一大步。
2021年5月，新冠病毒“德尔塔”毒株被世界卫生组织（WHO）列为“受关切变异株”（VOC），目前已扩散到超过200个国家和地区，是全球最流行的新冠病毒毒株。德尔塔毒株病毒载量高、传播能力强、潜伏期短，能部分逃脱抗体的中和反应。
此外，全球多款疫苗对德尔塔毒株的保护效力均有所下降。11月初，“奥密克戎”毒株在南非被首次检测到，不到20天后便被WHO列为VOC，截至12月中旬已蔓延到80多个国家和地区。奥密克戎毒株刺突蛋白上存在多达32处突变，其中3处可能增强免疫逃逸能力。全球抗疫之路仍然充满挑战。
2021年7月，DeepMind宣布人工智能算法AlphaFold2开源，随后又与欧洲生物信息学研究所合作，公布了这套算法精准预测的人类蛋白组中98.5%的蛋白质结构，以及20种模式生物同等比例的蛋白质结构。AlphaFold2预测的精准度已达到原子级别，能媲美目前最精准的测量仪器，预测还将用时从几个月缩短到几天甚至数个小时。
同月，由华盛顿大学等机构研发的算法RoseTTAFold开源，它能更好地预测蛋白质复合物的结构。AI蛋白质结构预测算法的爆发，解决了科学界的一个关键难题，拓展了对生命基础物质的认知，将极大地推动生物医药领域的发展。
2021年11月13日，第26届联合国气候大会（COP26）艰难落下帷幕，197个缔约方签署了《格拉斯哥气候公约》，使《巴黎协定》“全球平均气温升幅控制在1.5℃之内”的目标有可能实现。尽管未能将“1.5℃”的目标写入公约，但与会的世界各国代表终于就《巴黎协定》第6条实施细则达成共识，并承诺结束森林砍伐、逐渐减少煤炭使用等。
会前，中国向世界做出了“力争二氧化碳排放于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和”的承诺。迈向绿色低碳的行动不仅有助于地球免遭灾难性气候变化的重击，还为国内新能源产业等绿色产业的发展提供了新的机遇。
2021年6月8日，加拿大CHIME射电望远镜公布了536次新发现的快速射电暴（FRB）。2021年10月13日，中国天眼（FAST）宣布从重复源FRB121102观测到了1652次FRB。
两台望远镜将人类观测到的FRB数量从200余次提升到2000多次。2020年，包括我国慧眼卫星在内的观测表明，FRB很可能起源于磁陀星。但此次FAST观测到的FRB不具周期性，且总能量接近磁陀星可用能量上限，研究团队认为这基本排除了FRB121102是由单一磁陀星产生的可能。目前，科学家认为FRB可能具有多种起源。
这两台望远镜共同提升了人类观测FRB的能力，为天文学家对FRB的进一步研究铺平了道路。
2021年11月，全球首款口服抗新冠病毒药物molnupiravir在英国获批。同月，辉瑞公司公布了其开发的口服抗新冠病毒药物的临床效果。这两款作用机制不同的药物均能抑制病毒增殖，极大地降低了患者住院和死亡的风险。
12月8日，安巴韦单抗与罗米司韦单抗（BRII-196/BRII-198）联合用药方案获得中国国家药品监督管理局应急批准，成为我国首个获批的自主知识产权新冠病毒中和抗体联合治疗方案。这类药物可以通过阻止病毒吸附细胞，阻断病毒增殖。相比“老药新用”的方案，不断涌现的新款特效药的靶向性更强、疗效更好、安全性更高，在疫苗之外，也为抗击新冠疫情提供了新的希望。
2021年4月，美国索尔克研究所和昆明理工大学等机构的科学家培养出了首个人猴嵌合体胚胎。他们将人的扩展多能干细胞注入132个食蟹猴的早期囊胚内培养，胚胎最长存活了20天。这项研究和另一项将人多能干细胞和成纤维细胞转化成人早期胚胎的研究一起，极大地冲击了人类胚胎体外培养的“14天规则”。相关研究不仅在学术界引起了大量讨论，也在社会上引发了关于科研伦理规范的激烈讨论。
在经过多轮的商讨和权衡后，国际干细胞研究学会于5月首次放宽了这一规则限制，提出对于培养人类胚胎超过2周的研究需进行多轮审核，来决定终止时间。