Détectées en 1958 par l'engin américain Explorer 1, puis explorées par les engins Explorer et Pioneer. Disposées parallèlement au plan de l'équateur magnétique elles sont inclinées d'environ 11° sur l'équateur géographique.

Ceinture intérieure (à 3 500 km) : composée essentiellement de protons, dus à l'action des rayons cosmiques qui bombardent la Terre en permanence, et, à très faible densité, d'électrons dont certains ont sans doute la même origine cosmique que les protons (sauf ceux, très abondants, de moins de 1 100 000 volts).
Ceinture extérieure (à 20 000 km) : composée d'électrons.

Un cosmonaute exposé, sans protection, aux radiations des ceintures de Van Allen subirait plusieurs millions de rads par heure (or 500 rads sont généralement mortels).