После ухода из PayPal Маск возобновил свадебное путешествие. В поездке он подхватил опасную форму малярии и едва не умер. На полное восстановление ушло полгода, за это время Илон похудел на двадцать килограммов.
Незадолго до продажи PayPal у Илона и Жюстин родился первенец. Но счастье родителей было недолгим — ребёнок умер от так называемого синдрома внезапной детской смерти. Маск справился с горем в своей типичной манере — с головой ушёл в работу. Позже коллеги вспоминали, что рабочие трудности порой вызывали у Илона слёзы, но эту утрату он перенёс молча. Маск не любил выставлять свою личную жизнь напоказ.
Окончательно убедившись во вреде отдыха, Маск вернулся к работе. Поскольку его влияние в PayPal сократилось, Илон вспомнил о своём детском увлечении космосом. Маск чувствовал, что мир утратил веру в лучшее будущее, и хотел вдохновить человечество на новые свершения. Поначалу планы Маска были весьма наивными — он собирался купить старую российскую баллистическую ракету и с её помощью отправить корабль на Марс. Проект загнулся — Маск не сошёлся в цене с продавцами. Тогда ему и пришла в голову идея производства маленьких, экономичных ракет, которые могут завоевать рынок коммерческих перевозок на орбиту за счёт низкой стоимости запуска.
В те времена Маск ничего не смыслил в ракетостроении. Масштабы работ он представлял себе плохо, поэтому назначал себе чересчур оптимистические сроки, в которые было нереально уложиться. Критики частенько упрекали Маска во лжи, но Маск искренне верил в свои слова и неустанно работал, чтобы претворить сказанное в жизнь. Такого же отношения он ожидал и от своих сотрудников, поэтому люди, не готовые пахать по двенадцать — шестнадцать часов в день, недолго задерживались у Маска.
В июне 2002 года он основал Space Exploration Technologies Corporation (SpaceX). Поначалу Маск хотел производить только двигатели, а остальные детали закупать у сторонних поставщиков. Но он быстро убедился, что приемлемого качества можно добиться только самому.
Параллельно Маск заинтересовался электромобилями. На это его натолкнули два знакомства — сначала Илон встретил талантливого инженера Джеффри Штробеля, работавшего над экономичной батареей для электромобиля, а затем пересёкся с Мартином Эберхардом и Марком Тарпеннингом, основателями компании Tesla Motors, целью которой было создание электромобиля нового поколения. Маск влюбился в идею и вложил в Tesla семь миллионов, став крупнейшим акционером. При этом оперативное управление компанией осталось в руках Эберхарда и Тарпеннинга.
Первые два прототипа Tesla Roadster были встречены с энтузиазмом, и в компанию стали поступать заказы. Но попытка перейти от штучного производства к массовому едва не привела к краху.