מספרם המדויק של האסטרואידים באזור זה איננו ידוע, אך נתגלו למעלה מ־468,000 עצמים. בשל גודלה העצום של החגורה, המרחק בין האסטרואידים השונים גדול מאוד. גודלם של האסטרואידים באזור זה נע בין גודלו של כדור טניס לבין גודל של מאות קילומטרים. עם זאת, רק לכ־200 אסטרואידים קוטר העולה על 100 ק"מ. לרוב האסטרואידים צורה אמורפית ולא כדורית.
האסטרואיד הגדול ביותר בחגורה הוא קרס, קוטרו כ־975 ק"מ, הוא בעל צורה כמעט־כדורית, והחל משנת 2006 הוא מוגדר ככוכב לכת ננסי. רוב האסטרואידים קטנים במידה משמעותית מקרס (וסטה, האסטרואיד השני בגודלו, קטן ממנו כמעט פי שניים). ארבעת האסטרואידים הגדולים קרס, וסטה, פאלאס והיגיאה אחראים למחצית מהמאסה בחגורה המרכזית. האסטרואידים עשויים מסלעים וממתכות - מכל האסטרואידים שנבדקו, 92.8% עשויים מסלע, ו־5.7% עשויים מתערובת של ברזל וניקל.
במשך זמן רב ניסו האסטרונומים למצוא חוקיות המתארת את סידורם של כוכבי הלכת במסלולם סביב השמש. בשנת 1766 נמצאה חוקיות מתמטית על ידי יוהאן טיטיוס ובהמשך היא התפרסמה על ידי יוהאן אלרט בודה. נוסחה זו ידועה בשם "חוק טיטיוס־בודה". בהתאם לסידורם של ששת כוכבי הלכת המוכרים, החוק חזה את קיומו של גוף נוסף שהיה אמור להימצא בחלל באזור שבין מאדים לצדק, תחזית זו ניתנה בשנת 1768. גילוי כוכב הלכת השביעי, אורנוס, על ידי ויליאם הרשל בשנת 1781 התאימה בצורה כמעט מושלמת לתחזיות החוק. הדבר דחף אסטרונומים רבים לחפש את כוכב הלכת החסר באזור שבין מאדים לצדק. התגלית הגיעה בשנת 1801, כאשר בהתאם לתחזיות החוק, ג'וזפה פיאצי גילה את קרס באזור זה בחלל וסיפק חיזוק משמעותי למעמדו של חוק טיטיוס־בודה. רק כעבור 45 שנה התברר שהחוק היה שגוי מיסודו, והתאמתו למיקום כוכבי הלכת הייתה מקרית לחלוטין.
בשנת 1802, קצת יותר משנה אחרי גילוי קרס, מצא היינריך וילהלם אולברס עצם נוסף באותו האזור - פאלאס. בשנים שלאחר מכן נמצאו עצמים רבים נוספים במסלול זה, והם נחשבו ככוכבי לכת. בשנת 1851 רשימת כוכבי הלכת המוכרים גדלה ל־23, ושנה לאחר מכן הוחלט כי רק 8 הגופים הגדולים במערכת השמש יחשבו ככוכבי לכת. כל הגופים שבין מאדים לצדק סווגו מחדש כאסטרואידים. בשנים הבאות, המונח "חגורת האסטרואידים" החל לשמש אסטרונומים, אף על פי שלא ניתן להצביע במדויק מי טבע אותו.
חקר החגורה נמשך בעשורים העוקבים. עד שנת 1921 התגלו 1,000 אסטרואידים, עד 1981 התגלו 10,000 גופים, ועד שנת 2000 מספר הגופים המוכרים הגיע ל־100,000. סקרי שמיים מודרניים אפשרו לגלות עצמים קטנים בהרבה בפרקי זמן קצרים עוד יותר. מעריכים שיש מיליונים בקוטר העולה על קילומטר.
היווצרות
בשנת 1802, זמן קצר אחרי גילוי פאלאס, הציע ויליאם הרשל כי קרס ופאלאס הם שברים של כוכב לכת גדול יותר שהיה בין מאדים לצדק. לפי ההיפותזה, מסיבה בלתי ידועה כוכב הלכת התפוצץ או התפרק, והאסטרואידים הם חלקים שנותרו ממנו ונעים במסלולו. עם הזמן ההיפותזה נפלה, בגלל האנרגיה הגדולה שנדרשה להרוס כוכב לכת ובגלל כמות המסה הקטנה של האסטרואידים שנותרו, כ־4% מהירח. כמו כן, השוני בהרכב הכימי של האסטרואידים מעיד על כך שהם לא הגיעו מאותו המקור.
התאוריה המקובלת כיום היא שהאסטרואידים הם "פלנטיסימלים", גופים קטנים שנוצרו מהענן ההתחלתי של מערכת השמש שלא התמזגו לכדי גוף אחד בגלל השפעת כוח הכבידה של צדק.
הגשושית הרובוטית הראשונה שחצתה את חגורת האסטרואידים הייתה פיוניר 10, שנכנס לאזור ב־16 ביולי1972. באותו הזמן היה חשש כי פסולת בחגורת האסטרואידים עשויה להוות סכנה לחלליות, אך מאז חצו את האזור 11 חלליות ללא שום תקלה. ידוע שבשל הצפיפות הנמוכה של חומרים בתוך החגורה, הסיכויים שחללית הפועלת באזור תיפגע מאסטרואיד מוערכים בפחות מאחד למיליארד.
רוב צילומי האסטרואידים בוצעו על ידי חלליות שהיו בדרך למשימה אחרת, ובדרך התקרבו למשך תקופה קצרה לגופים שונים בחגורת האסטרואידים. רק שלוש חלליות - השחר, NEAR Shoemaker והיאבוסה הן החלליות היחידות שמטרתם העיקרית לחקור אסטרואידים לתקופה ממושכת במסלול או על פני השטח. השחר חקרה את וסטה בין יולי 2011 לספטמבר 2012. במרץ 2015 היא נכנסה למסלול סביב כוכב הלכת הננסי קרס. אם החללית תהיה עדיין מבצעית לאחר חקר קרס, אולי תתבצע טיסת ההתקרבות ומחקר אל פאלאס.
