2 июня 1955 года Генеральный штаб Советской Армии утвердил структуру нового полигона, постановление о строительстве которого было принято правительством СССР 12 февраля 1955 года. 2 июня с тех пор отмечается как день рождения Байконура (день основания полигона был утвержден Приказом Министра обороны СССР 3 августа 1960 года).

Космодром располагается на 45.6 градусах северной широты и 63.3 градусах восточной долготы. Особенность расположения полигона (в первую очередь – его широта) определяют класс орбит, на которые можно вывести космический аппарат. Диапазон наклонений составляет от 50 до 99 градусов. Таким образом, с Байконура можно запускать аппараты к МКС, солнечносинхронные аппараты, но нельзя запускать геосинхронные спутники.

В состав космодрома входит 9 стартовых комплексов с 15 пусковыми установками, 34 технических комплекса, 3 заправочные станции и 2 аэродрома. Кроме того есть 4 специальные пусковые установки для межконтинентальных баллистических ракет. В состав космодрома входит комплекс для контроля и управления полетом и обработки телеметрии. Есть кислородно-азотный завод для производства криогенных продуктов. В состав инфраструктуры входят теплоэлектроцентраль, поезд, несколько тысяч километров автомобильных и железных дорог, линий электропередачи и связи.

В 30 километрах севернее города Байконур находится Площадка №2, с которой был произведен запуск корабля «Восток» с первым космонавтом на борту. Рядом с ним в центре космодрома располагается комплекс космической системы «Энергия-Буран». В 70 километрах от него, к северо-западу от города, располагается «левый фланг» космодрома. В него входят стартовые комплексы ракет-носителей «Циклон» и «Протон». Последний комплекс расположен ближе к городу, в него входят 4 пусковых установки и заправочная станция. К эго-востоку от города, в 50 километрах от него находится «правый фланг». С пусковых площадок этого фланга производилась большая часть пусков к планетам Солнечной системы. Южнее находится стартовый комплекс для системы «Зенит» и криогенный центр.

Строительство началось в конце зимы 1955 года, хотя первые группы прибыли еще в январе. При выборе места руководство страны установило ряд критериев. Во-первых, место для полигона должно было быть малонаселенным и достаточно обширным. Однако, оно должно было быть недалеко от железной дороги. Также в непосредственной близости должны были находится источники пресной воды. Изначально полигон замышлялся для испытания межконтинентальных баллистических ракет, и расстояние от нового полигона до места падения ракет на полигоне Кура на Камчатке должно было составлять не менее 7000 км. В результате был выбран район около станции Тюра-Там Западно-Казахстанской железной дороги.

Формированием полигона занялся весной 1955 года его первый начальник А.И. Нестеренко. Строительство велось силами 130-го управления инженерных работ под руководством Г.М. Шубникова. Первый отряд строителей (строительство велось военными) прибыл уже в январе 1955 года. Первый этап работ осложнялся тем, что отсутствовала всякая инфраструктура, необходимая для дальнейших работ по строительству самого полигона. Строительство первой пусковой площадки началось 20 июля. Уже через четыре месяца первая стартовая площадка с необходимыми сооружениями были сданы, в ней продолжились работы уже по монтажу пускового оборудования. При строительстве первой пусковой площадки был вырыт котлован глубиной 45, длиной 250 и шириной 100 метров. На дно котлована было уложено более тридцати тысяч кубометров бетона.

Первой ракетой, испытания которой проводились на Байконуре, была знаменитая «семерка», межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, созданная С.П. Королевым в ОКБ-1. К моменту испытаний уже был сдан второй стартовый комплекс и созданы все необходимые измерительные средства.

Первый запуск был произведен 15 мая 1957 года. Запуск прошел неудачно, ракета пролетела всего 400 км. Первый удачный пуск Р-7 произошел 21 августа 1957 года. А 12 апреля 1961 года ракета Р-7 вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли. Из других важных вех в истории космодрома и запусков, проведенных с его территории, отметим следующие. 3 ноября 1957 года был запущен «Спутник-2» с собакой на борту. 19 августа 1960 был запущен «Спутник-5», также с собаками. «Спутник-5», совершив 17 витков вокруг Земли, совершил приземление с живыми собаками на борту. 24 октября 1960 года произошла крупная катастрофа. Производились испытания новой межконтинентальной баллистической ракеты МБР-16 (КБ «Южное»). После заправки ракеты неожиданно произошел запуск двигателей второй ступени. В результате последующего пожара погибли 76 человек (в основном, от отравления парами топлива). Председателем комиссии по расследованию причин катастрофы был Брежнев. По результатам ее работы были пересмотрены меры безопасности при подготовке ракет к запуску уже на стартовых позициях. Эти правила действуют до сих пор. 24 октября на космодроме является нерабочим днем. 12 апреля 1961 года был запущен корабль «Восток-1», на борту которого находился первый в мире космонавт – Ю.А. Гагарин. 16 июня 1965 прошел первый пуск тяжелой ракеты-носителя «Протон». 20 февраля 1986 года на орбиту был выведен первый блок орбитальной станции «Мир». 15 ноября 1988 года был произведен первый и последний запуск многоразовой ракетно-космической транспортной системы «Энергия-Буран». После успешно проведенного полета «Буран» совершил посадку в автоматическом режиме, что так и не было реализовано на шаттлах. Всего за более чем пятидесятилетнюю историю работы космодрома было запущено более 1500 космических аппаратов и 100 межконтинентальных баллистических ракет.

После распада СССР в работе космодрома начался кризисный период.

Резко сократилось количество запусков, в первую очередь – космических. В эти условиях многие специалисты покинули космодром. Он также оказался на территории другого государства, хотя продолжал эксплуатироваться Россией. Статус космодрома был урегулирован в 1994 году, когда он был сдан в аренду России. Был сформирован Федеральный космический центр «Байконур». В 1997 году началась передача объектов космодрома от Министерства обороны в ведение Роскосмоса, закончившаяся в 2002 году.