เป้าหมายของดาวเทียมไกอาคือ:

• ในการหากำลังส่องสว่างของดาวฤกษ์จำเป็นต้องทราบระยะทาง การจะบรรลุเป้าหมายนี้โดยไม่ต้องอาศัยสมมุติฐานทางฟิสิกส์จำเป็นต้องวัดค่าพารัลแลกซ์ดาวฤกษ์เป็นหลัก หอดูดาวภาคพื้นดินไม่สามารถทำการวัดได้อย่างเที่ยงตรงเพียงพอเนื่องจากความแปรปรวนของบรรยากาศ
• การสังเกตการณ์วัตถุจาง ๆ ทำให้ได้ฟังก์ชันความส่องสว่างที่เที่ยงตรงยิ่งขึ้น เพื่อให้ได้ตัวอย่างที่เป็นกลาง จำเป็นต้องสังเกตวัตถุทั้งหมดที่มีระดับความสว่างตามค่าที่กำหนด
• เพื่อศึกษาขั้นตอนที่ดำเนินไปอย่างรวดเร็วในวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ จำเป็นต้องสังเกตการณ์วัตถุให้มากขึ้น การสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าจำนวนมากในทางช้างเผือก ก็มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงของทางช้างเผือก แม้แต่ 1 พันล้านดวงก็ยังถือว่าน้อยกว่า 1% ของดาวในทางช้างเผือกทั้งหมด
• การวัดระยะทางและการเคลื่อนที่ของดาวมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจดารากรต่าง ๆ โดยเฉพาะดาวที่อยู่ห่างไกล

ดาวเทียมไกอาจะทำการสร้างแผนที่สามมิติของดาราจักรทางช้างเผือกที่มีความเที่ยงตรงสูงมาก ด้วยการใส่เพิ่มข้อมูลการเคลื่อนไหวที่เหมาะสมลงในแผนที่สามมิติ ทำให้สามารถอนุมานถึงต้นกำเนิดของดาราจักรและวิวัฒนาการในอนาคตได้ การวิเคราะห์ทางสเปกโทรสโกปียังให้รายละเอียดลักษณะทางกายภาพของดาวฤกษ์ที่สังเกตแต่ละดวง รวมถึงกำลังส่องสว่าง อุณหภูมิ ความโน้มถ่วง และธาตุองค์ประกอบ การสำรวจสำมะโนดาวฤกษ์ ขนาดใหญ่นี้จะให้ข้อมูลพื้นฐานสำหรับการตอบคำถามสำคัญต่าง ๆ เกี่ยวกับต้นกำเนิด โครงสร้าง และวิวัฒนาการของดาราจักรของเรา นอกจากนี้แล้วก็ยังได้ทำการวัดเควซาร์, ดาราจักร, ดาวเคราะห์นอกระบบ, วัตถุในระบบสุริยะ ฯลฯ จำนวนมากไปด้วยในเวลาเดียวกัน

นอกจากนี้ไกอายังถูกคาดหวังว่าจะ:

• วัดระยะทางได้มากกว่า 1 พันล้านดวงที่มีโชติมาตรปรากฏไม่เกินอันดับ 20
• เพื่อระบุตำแหน่งของดาวฤกษ์ที่อันดับ 10 ลงมาให้ได้เที่ยงตรงโดยมีความคลาดเคลื่อนภายใน 7 ไมโครพิลิปดา ดาวฤกษ์อันดับ 15 ลงมาภายใน 12-25 ไมโครพิลิปดา และดาวฤกษ์อันดับต่ำกว่า 20 ภายใน 100-300 ไมโครพิลิปดา
• เพื่อระบุระยะทางของดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดด้วยความเที่ยงตรงคลาดเคลื่อนเพียง 0.001% และระยะห่างของดาวฤกษ์ภายในระยะ 30,000 ปีแสงจากศูนย์กลางดาราจักรด้วยความคลาดเคลื่อน 20%
• เพื่อระบุความเร็วตามแนวตั้งฉากของดาวฤกษ์ 40 ล้านดวงด้วยความเที่ยงตรงคลาดเคลื่อนน้อยกว่า 0.5 กม./วินาที
• วัดวงโคจรและความเอียงของวงโคจรของดาวเคราะห์นอกระบบ 1,000 ดวงอย่างแม่นยำ และระบุมวลที่แท้จริงของดาวเหล่านั้น

นอกจากนี้ยังถูกคาดหวังว่าจะมีการค้นพบดาวเคราะห์น้อยที่ยังไม่รู้จักจำนวนมากในบริเวณระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ ซึ่งยากต่อการสังเกตด้วยกล้องโทรทรรศน์โลกในช่วงเวลากลางวัน[6]