美国航天飞机总长约56米，翼展约24米，起飞重量约2040吨，起飞总推力达2800吨，每次最多可将 29.5吨有效载荷送入185至1110公里近地轨道，将14.5吨有效载荷带回地面，既可进入低倾角轨道，也可进入高倾角轨道，可进行会合、对接、停靠；执行人员和货物运送、空间试验；卫星发射、检修和回收等任务。它的核心部分轨道器长37.2米。每次飞行最多可载8名宇航员，飞行时间7至30天。轨道飞行器具有2000公里横向机动能力，为精确对准着陆机场调整飞行航线。

1977年2月研制出一架创业号航天飞机轨道器，由波音747飞机驮着进行了机载试验。1977年6月18日，轨道器首次载人用飞机背上天空试飞，参加试飞的是宇航员海斯（C·F·Haise）和富勒顿（G·Fullerton）两人。8月12日，轨道器载人在飞机上飞行试验圆满完成。又经过4年，第一架载人航天飞机终于出现在太空舞台，这是航天技术发展史上的又一个里程碑。

1981年4月12日（这一天也正是20年前苏联航天员加加林乘东方号飞船代表人类首次进入太空的日子），在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚号发射。宇航员约翰·杨（John W·Young）和克里平（Robert L·Crippen）揭开了航天史上新的一页。他们在近地轨道飞行了54小时30分钟，绕地球36圈，考验了航天飞机各个系统的性能，然后返回地面。值得一提的是在美国航天飞机研制过程中，解决了一个重大的技术问题，那就是轨道器的机身覆盖有3万块高耐热性的防热瓷砖，它保证了轨道器在返回大气层飞行中不被高热烧坏。哥伦比亚号航天飞机首航成功后，美国也像苏联对其航天员首次进入太空那样进行宣传，说它是一个新的航天技术性突破，是人类向宇宙进军、实现太空工业化的一个实际步骤。突破首航之后，美国又相继研制了4架航天飞机。其名称分别为挑战者号、发现号、阿特兰蒂斯号和奋进号，其中挑战者号航天飞机在1986年1月28日升空后炸毁。现仍有4架在服役，到2000年初已发射97架次。

哥伦比亚号航天飞机在其前4次飞行中主要考验飞机的性能和人在太空的生活情况，到第5次发射时就向太空的地球同步轨道发射了两颗通信卫星。这架航天飞机在1983年11月28日发射时，把欧空局研制的“空间实验室”首次带入太空，进行了多项科学实验。美国第二架航天飞机挑战者号是1983年4月首次发射的，并与哥伦比亚号交错时间先后飞行。它在太空共飞行10次，前9次成功，最后1次爆炸失败。在其9次飞行中，它在太空创造了几个第一：第一次把美国女航天员送入太空；第一次在太空进行首次机动飞行，即航天员身背“载人机动装置”离开轨道器“自由”飞行；创造最多乘载8人的飞行记录，并首次把美籍华人王赣骏载入太空；首次安装机械臂把一颗卫星从货舱中取出放入太空，然后再回收回来。此外，这架飞机还二次把欧空局研制的“空间实验室”带上太空作多项科学实验。它还多次在飞机上释放卫星和回收卫星。第三架航天飞机发现号1984年4月首次升空就发射了三颗商业通信卫星；它还在货舱中展开一个折叠式太阳能电池板，并进行了航天电泳制药试验。在以后的几次飞行中它继续发射卫星，有一次发射了4颗卫星，还在轨回收了失效卫星，修好后又重新送入太空。美国第四架航天飞机阿特兰蒂斯号发射后，除发射间谍卫星和普通卫星外，还在太空进行组装空间站试验活动。美国第五架航天飞机奋进号是挑战者号空中爆炸后研制的，它的首发时间是1992年5月7日。这架飞机在设计指标上有所改进，它可在太空飞行28天，在着陆时采用巨大的降落伞减速，从而缩短了机场跑道长度。在机舱内还设有先进的抽水马桶和空调设备。在太空除继续释放卫星和回收卫星外，该机还在太空进行组建空间站和维修工作，如把价值连城的“哈勃”望远镜修复，使之继续进行工作。在2000年的一次飞行中，美国用奋进号上的雷达采集了地球信息，绘制出迄今为止最为精确的三维地貌图，据说它比现有的地图精确30倍。

挑战者号航天飞机的悲剧
1986年1月28日，美国的挑战者号航天飞机乘载七名宇航员，进行航天飞机的第25次飞行。这天早晨，成千上万名参观者聚集到肯尼迪航天中心，等待一睹挑战者号腾飞的壮观景象。上午11时38分，竖立在发射架上的挑战者号点火升空，直飞天穹，看台上一片欢腾。但航天飞机飞到73秒时，空中突然传来一声闷响，只见挑战者号顷刻之间爆裂成一团桔红色火球，碎片拖着火焰和白烟四散飘飞，坠落到大西洋。挑战者号发生爆炸，全世界为之震惊。

在这次太空罹难的七名宇航员中，有两名女宇航员，其中特别引人注目的是第一次参加太空飞行的女教师麦考利夫。原计划她将在太空给她的学生进行现场授课，不幸的是麦考利夫壮志未酬，献出了宝贵的生命。

这次太空事故为航天飞机继续飞行笼罩上了一层浓重的阴影。经过细致的调查分析，最后确定，挑战者号爆炸是由于右侧固体火箭助推器连接处，因设计上的缺陷和气温过低，Ｏ型密封垫圈失效所致。后来科学家们对所有航天飞机进行了全面检查，并采取必要的改进措施，提高了航天飞机的可靠性。两年后，美国航天飞机开始恢复飞行。