GRACE war ein gemeinsames Projekt zwischen der US Raumfahrtbehörde (NASA) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die Mission wurde 1996 von der Universität von Texas in Austin, Zentrum für Weltraumforschung (UTCSR), dem GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung und den Jet Propulsion Laboratories in Pasadena geplant. GRACE wurde 1997 als zweite Mission im NASA Earth System Science Pathfinder (ESSP) Programm ausgewählt. Als Innovation ist der Principal Investigator Prof. Byron Tapley (UTSCR) und sein Team vollständig für die Entwicklung der Flughardware, für das Erreichen der wissenschaftlichen Zielsetzungen und die Verteilung der Messdaten und Produkte an die weltweiten wissenschaftlichen Nutzer verantwortlich. Co-Principal Investigator der Mission war Prof. Dr. Frank Flechtner (GFZ). Projektmanagement und Systementwicklung wurden durch JPL durchgeführt.

Das primäre wissenschaftliche Ziel der GRACE Mission war, das Schwerefeld der Erde und dessen zeitlichen Veränderungen mit nie da gewesener Genauigkeit zu vermessen. Der Genauigkeitsgewinn wurde durch zwei baugleiche Satelliten erreicht, die sich auf derselben Bahn folgen. Für deren Lagekontrolle und die Bestimmung von nicht-gravitativen Störkräften hatten beide Satelliten Sternensensoren und Beschleunigungsmesser an Bord. Die Position und die Geschwindigkeit der Satelliten wurden durch GPS-Empfänger und (für Validierungszwecke) durch Satellite Laser Ranging Retro-Reflektoren bestimmt. Zusätzlich waren die beiden Satelliten mit einem Mikrowellensystem im K-Band ausgestattet, welches es erlaubte, den Abstand und insbesondere dessen Änderung mit einer Genauigkeit von besser als 0.1 µm/s zu bestimmen. Diese Beobachtungen sind direkt verknüpft mit saisonalen und sub-saisonalen Veränderungen im kontinentalen Wasserkreislauf, Eismassenänderungen in den großen Gletschersystemen in Grönland oder in der Antarktis, dem Meeresspiegelanstieg, der langwelligen Ozeanzirkulation oder dem Wärmetransport vom Äquator hin zu den Polen. In den mehr als 15 Jahren des Missionsbetriebs hat die Mission damit entscheidend beigetragen, das System Erde besser zu verstehen. Dies zeigt sich unter anderem in mehr als 1700 Publikation in wissenschaftlichen Zeitschriften und mehr als 5500 registrierten Nutzern am GRACE-Archiv ISDC (Information System and Data Center).

Im Oktober 2017 wurde die Mission, nachdem sie dreimal länger als ursprünglich geplant betrieben werden konnte, wegen Batterieproblemen und ausgehendem Treibstoff beendet . Wegen ihrer hohen Relevanz für die Erdsystemforschung haben GFZ und NASA seit 2012 eine Nachfolgemission GRACE-FO realisiert, die im Frühjahr 2018 starten soll. Das zweite wissenschaftliche Ziel der GRACE-Mission war es, täglich etwa 150 global verteilte vertikale Temperatur- und Wasserdampfprofile aus GPS-Radiookkultationsdaten zu bestimmen. Diese wurden vom GFZ operationell (24/7) an verschiedene Wetterdienste zur Wettervorhersage geliefert.

Das GRACE Projekt wurde auf Beschluss des Deutschen Bundestags durch die Raumfahrtagentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) mit dem Förderkennzeichen 50 EE 1027 gefördert. Der Betrieb des GRACE-Bodensegments wurde durch die ESA seit 2011 ko-finanziert.