En teoría, una nave espacial autorreplicante podría ser enviada a sistemas estelares vecinos, donde esta buscaría materiales en bruto (extraídos desde asteroides, lunas, gigantes gaseosos, etc.) para crear réplicas de sí misma. Luego estas réplicas serían enviadas a otros sistemas estelares. La sonda madre original podría continuar su misión primaria dentro del sistema estelar. Esta misión podría variar dependiendo de la variante de nave estelar autorreplicante que se proponga.
Dado este patrón, y su similitud al patrón de reproducción de las bacterias, ha sido señalado que las máquinas de von Neumann podrían ser consideradas como una forma de vida. En su relato corto, "Lungfish" (ver ejemplos en ficción más adelante), David Brin toca esta idea, señalando que las máquinas autorreplicantes lanzadas por diferentes especies podrían entrar en competencia con las de otra (en una forma Darwinística) por los materiales en bruto, o incluso tener misiones que se confrontan. Dada una suficiente variedad de especies ellas incluso podrían formar un tipo de ecología, o — si ellas también tienen alguna forma de inteligencia artificial — una sociedad. Ellas podrían mutar a través de miles de generaciones.
Los primeros análisis ingenieriles cuantitativos de tal tipo de nave espacial fueron publicados en 1980 por Robert Freitas,1 en un estudio en el que el diseño no replicante del Proyecto Dédalo fue modificado para incluir todos los subsistemas necesarios para la autoreplicación. La estrategia del diseño era usar a la sonda para instalar una fábrica semilla con una masa aproximada de 443 toneladas en un sitio distante, para luego hacer que esta replicara muchas copias de sí misma, incrementando su capacidad total de producción durante un período de 500 años, para finalmente usar el complejo industrial automatizado resultante para construir más sondas con una única fábrica semilla a bordo.
Ha sido teorizado que una nave espacial autorreplicante utilizando métodos teóricos de viaje interestelar relativamente convencionales (es decir, excluyendo propulsión más rápida que la luz tales como "motores warp", y con velocidades limitadas a una velocidad de crucero promedio de 0.1c) podría dispersarse a través de una galaxia del tamaño de la Vía Láctea en tan poco tiempo como medio millón de años.