航天飞机是一种像火箭一样垂直发射入轨，再入大气层后像普通飞机一样水平着陆的天地往返运输系统。它具有许多运载火箭和其他航天器所不具备的特点和功能。航天飞机的研制是航天技术向纵深发展的需要促成的。70年代以前，航天技术已取得了惊人进展，但存在的问题和不足也是十分明显的。例如，运载火箭和载人飞船都是一次性使用的，这使得航天发射的成本很高，代价很大；各种应用卫星都是高技术的产物，研制发展费用昂贵，郊果因没有进入轨道或因故障而不能投入使用，损失也是巨大的；载人航天最重要的是安全，如果飞船发生故障，势必威胁着宇航员的生命财产。60年代的研究表明，研制可重复使用酌航天飞机是解决这些问题的有效途径之一。
首次载人登月成功之后，乘阿波罗计划的东风，美国宇航局提出了雄心勃勃的未来航天计划，其核心目标是载人登上火星。但这个计划受到尼克松政府的断然否决。在这种情况下，宇航局又提出了航天飞机计划，它实际上是载人火星飞行计划的一个小项目。为了获得批准，宇航局非常乐观地描述了航天飞机的价值，包括经济价值和国防价值：(1)作为由宇航局和国防部联合使用的航天运输工具，能取代现有的12种不同的运载火箭；(2)当地球或空间出现有关国家安全的严重事件时，可用航天飞机迅速查明情况；(3)能迅速回收或更换与国家安全密切有关的失效或失误的航天器；(4)能捕捉、使其失效或摧毁不友好的航天器；(5)能回收或在轨修理出现故障的卫星；(6)能迅速救援处于困境或生病的宇航员，使他们摆脱困境。除了这些以往航天器不具备的能力外，宇航局还许诺说，利用航天飞机发射有效载荷入轨的成本只有一次性运载火箭的十分之一。
经过宇航局频繁游说，先后说服了国防部和预算委员会，最后也打动了尼克松总统。1972年，尼克松批准了航天飞机计划。美国国会在批准这项预算时，要求航天飞机的发展费用不得超过50亿美元。
航天飞机设计方案经过了很长时间才得以确定。它由最初的完全可重复使用的两极方案变成三位一体方案：一架轨道器(航天飞机)背驮了一只巨大的一次性使用的推进剂外贮箱，外贮箱的两侧各有一枚大型固体助推器。这种布局降低了总研制费。但由于外贮箱不能重复使用，从而提高了发射成本。航天飞机系统的尺寸为：轨道器长27.21米，翼展23.79米，机高17.39米。它的中部有一个长18.3米，直径4.6米的载荷舱。外贮箱长47.1米，直径8.38米，两枚固体助推器长45.5米，直径3.7米。为了实现“普通人也能坐航天飞机”的设想，航天飞机在起飞过程中的最大过载限制在3g以下，在返回时的过载限制在1.5g以内。航天飞机在研制过程中，解决了一系列高难度的技术问题，包括研制可重复使用的高性能液氢液氧发动机、大推力可重复使用的固体助推器、可重复使用的防热瓦等。
第一架供设计验证和滑翔试验用的航天飞机轨道器“企业”号于1976年9月17日交付。1979年3月24日，首架用于轨道飞行的“哥伦比亚”号完成了装配，并空运到肯尼迪航天中心。1981，年4月12日，正值加加林首次进入太空20周年纪念日，“哥伦比亚”号发射升空。担任首次飞行任务的是约翰·杨和罗伯特·克里平，主要目的是验证轨道器轨道飞行能力、稳定与操纵特性、再入与着陆特性，同时还在轨试验了后货舱门的开闭特性以及机上惯性基准的建立。航天飞机的首次飞行从当地时间4月12日上午7时开始，到14日东部时间13时20分结束，历时54小时23分，绕地球36圈，最后在加利福尼亚州爱德华兹空军基地安全降落。大约有100万人从世界各地赶到卡纳维拉尔角观看了这次发射，其中包括英国女王伊丽莎白二世、首次登月的阿姆斯特朗等。美国电视台现场直播了这次发射，因此全球大约有5亿多人观看了当时发射的盛况。
美国航天飞机经过试验和投入使用后，证明了它在技术上是成功的，能够执行以往航天器和火箭不能完成的任务，如在轨回收、修理和发射卫星，实现了部分可重复使用等。但它的发射成本极高，甚至大大超过了运载火箭。“挑战者”号失事后，航天飞机不再承担民用载荷发射任务，只用于空间科学实验或发射大型军用载荷和深空探测器。截止1996年10月，美国航天飞机已飞行了79次。