航天飞机是人类第一次把航天与航空技术结合起来制造的新型多功能航天器，由轨道飞行器、固体燃料火箭助推器和外挂燃料箱三大部分组成，竖立时总高度约56m，起飞时全部质量可达到2000吨。
外挂燃料箱是航天飞机最大的部件，位于轨道飞行器下方，由液氧箱、液氢箱和箱间段组成，内装供轨道飞行器主发动机用的590吨液氧和液氢推进剂。在航天飞机起飞升空后，主发动机熄火，外挂燃料箱与轨道器分离，进入大气层烧毁。它是航天飞机各组件中唯一不能回收的部分。
两台固体燃料火箭助推器平行装在外挂燃料箱两侧，每个装有450吨推进剂、发射时与轨道器的3台主发动机同时点火，为航天飞机垂直起飞和飞出大气层提供约78%的推力。助推器以3.1km/h的速度把航天飞机送到距地面45km的高空，然后停止工作并与航天飞机分离。其固体燃料箱在前锥段里装有降落伞系统，溅落到海上后被回收，经过修理等待下一次飞行。
外形像飞机一样的轨道飞行器是航天飞机的主体，也是航天飞机最复杂的组成部分，每次升空都要经历发射、飞行和返回的全过程。它长37.2m、翼展23.8m、净重68吨，同一架大型喷气式客机大小差不多。机尾装有3台以液氢/液氧为推进剂的主发动机，还有两台变轨发动机，在没有氧气的外太空也能工作。
航天飞机内部结构也类似一般飞机，有宽大的机舱，并可根据航天任务的需要分成若干个舱室，最多可载10名航天员，在轨道上持续工作7～30天。机身是一个容积300m3的大货舱，可运送14.4吨有效载荷到地球轨道，或运送30吨货物至近地轨道，并可从太空运回10吨多的货物。
航天飞机由于其独特的优点，自1981年问世后主要作为运载工具、实验平台和轨道维修平台，创造了很多载人航天的新纪录，但也经历过机毁人亡的重大事故。由于航天飞机技术复杂，容易出现故障，特别是无法大幅度降低载人航天的费用，并不是一种理想的天地往返运输工具。另外，未来开展外太空探测不需要带机翼的航天器，新的载人航天器的热保护系统比机翼防热瓦方式更安全，而且新的载人航天器也可重复使用，并可在任何陆地和水中降落，而航天飞机则必须使用机场着陆。因此，在美国新制定的未来载人航天计划中已不再将航天飞机作为今后发展的运载技术。
航天飞机的时代已走到了尽头。到2010年，目前所有的航天飞机将全部退役，由新一代载人航天器接替。