NASA的航天飛機計劃–正式名“太空運輸系統（Space Transportation System，以下簡稱STS）”建立在水星、雙子星和阿波羅計劃的遺產之上，其目標是開發第一個可重複使用的航天器，它將能把宇航員送入軌道並返回地球。
根據NASA的檔案，五艘適航的航天飛機被建造出來，並在1981年至2011年期間總共完成了135次低地球軌道的任務。在那段時間裡，檔案材料指出，航天飛機計劃負責在微重力下進行科學實驗、部署和回收衛星、發射哈勃太空望遠鏡並幫助建造國際空間站。
航天飛機的每一項任務都是無數科學家、工程師和探險家挑戰人類能力極限的結果，他們為現代太空探索搭建了舞台。航天飛機計劃的遺產在國際空間站繼續存在，另外也滲透到了開發更新的可重複使用的飛船如SpaceX的獵鷹9號火箭和載人龍飛船中。雖然這些任務中的每一項以及駕駛它們的宇航員都應在人類探索史上佔有一席之地，但這些航天飛機任務留下的印記比其他任務更深。
企業號
在航天飛機能夠飛向星空之前，首先必須建造和測試它。考慮到這一點，NASA跟North American Rockwell Corporation簽訂了合同以建造第一架航天飛機用於地面和大氣層內的測試。Space.com指出，為這第一架航天飛機計劃的最初名字叫Constitution，但在“星際迷航”粉絲的協調運動之後它最終採用了一個更戲劇化的名字。根據一份發送給傑拉爾德·福特總統的備忘錄，NASA收到了來自粉絲的數十萬封信，他們希望航天飛機能以《星際迷航》中深受喜愛的USS Enterprise命名。福特則表示，他喜歡這個名字，因為它跟一艘同名的海軍艦艇有關。
根據NASA的記錄，這個名字最終被改變了，“企業號(Enterprise)”航天飛機於1976年在Gene Roddenberry和原版系列演員的見證下從製造現場下線。在接下來的一年裡，科學家們完成了一整套測試以確定該計劃的太空價值。這些測試包括俘虜式飛行，其中包括航天飛機被連接到一個被稱為航天飛機運載機(SCA)的改裝波音747上。企業號還完成了自由飛行，在被釋放之前它在SCA上被帶到高空。
雖然企業號本身沒有進入太空，但它為美國宇航局歷史上最富有成果和最激動人心的時期之一鋪平了道路。
第一次飛行
企業號的最後一次飛行發生在1977年10月，四年後隨着哥倫比亞號(Columbia)的首次飛行，航天飛機計劃正式啟動。這次首次航天飛機飛行任務是最短的一次，它只持續了兩天多。NASA的記錄顯示，宇航員約翰·楊和羅伯特·克里彭將航天飛機飛到離地球表面166英里的高度。在他們在軌道上的時間裡，兩位宇航員繞地球36圈並進行了一些測試。
據了解，STS-1的主要目的只是為了測試飛船的性能。它通過使用哥倫比亞號上的兩個儀器包來實現這一目標。這兩個儀器包為發展性飛行儀器(Developmental Flight Instrumentation)和空氣動力係數識別包(Aerodynamic Coefficient Identifications Package)，它們負責記錄航天飛機在飛行過程中的溫度、壓力和其他力量。
不過這次任務遇到了一些小問題，其中包括隔熱罩的一些損壞及一個警報顯示一個輔助動力裝置出現過冷的情況。在這兩種情況下，任務控制中心確定對任務沒有任何風險。1981年4月14日上午，楊成功地將哥倫比亞號送上地面並載入史冊。
女宇航員莎莉·萊德的首次飛行
1983年6月18日發射的STS-7是航天飛機的第七次總任務，也是挑戰者號的第二次任務，並且這次任務還將美國第一位女性宇航員進入太空。雖然兩位女宇航員瓦倫蒂娜·捷列什科娃和斯韋特蘭娜·薩維茨卡婭以前曾為蘇聯執行過飛行任務，但萊德則是為NASA打破了這個最高的玻璃天花板。這次飛行使萊德成為民間英雄並成為過去和現在在太空項目中代表性不足的婦女的可能性的象徵。值得慶幸的是，女性宇航員的數量正在上升，而所有這些都是由於萊德的存在而得以實現的，至少佔據了部分原因。
在STS-7期間，萊德是一名任務專家，其職責包括操作航天飛機的機械臂和部署衛星。萊德的飛行持續了六天多，在1983年6月24日降落在愛德華茲空軍基地之前，其完成了97次繞地球飛行。1984年，萊德回到挑戰者號進行第二次飛行，這次她再擔任STS-41-G的任務專家。她原計劃進行第三次飛行，但由於挑戰者號被摧毀而被取消。2003年，萊德被列入美國宇航員名人堂。
空間實驗室的誕生
對粉絲來說，太空旅行本身就很有價值，如果只是為了探索這一切。雖然挑戰極限和超越地平線的旅行是足夠的理由，但宇航員在離開地球時進行的科學活動為這項工作帶來了額外的價值。所有的航天任務都有一些內在的科學價值，但宇航員在STS-9期間將航天飛機上的Spacelab增加到一個新的水平。由ESA開發的Spacelab是一套儀器，其中包括加壓和非加壓模塊，其可根據每個任務的具體科學目標進行混合和匹配。
Spacelab總共在22次航天飛機任務中使用過。在其壽命期間，宇航員進行了70多次太空實驗室實驗–內容包括調查太陽物理學、材料科學、生命科學等。這個軌道實驗室可以說是為日後的ISS等更多永久性的軌道實驗室奠定了基礎。
第一次無繫繩太空行走
即使在今天，大多數艙外活動(EVA)–通常被稱為太空行走–都是安全地拴在航天器上進行的，NASA指出，在STS-41-B之前，所有的活動都是如此。1984年2月，當宇航員布魯斯·邁克坎德勒斯將自己拴在載人機動裝置(MMU)上並漂離航天飛機時情況發生了改變。MMU利用氮氣罐產生推力以作為一種坐式噴氣包在太空中飛行。這次飛行的照片看起來就像宇航員坐在一張休閑椅上，然通過扶手上的控制來回移動。
根據NASA的記錄，STS-41-B機組的另一名成員鮑勃·斯圖爾特也使用MMU完成了一次無系留的太空行走，這兩名宇航員在EVA期間都冒險離開了航天飛機約300英尺（約91米）。MMU的目的是為宇航員提供額外的機動性以便從他們的航天器上回收衛星或其他有效載荷。在退役之前，總共有四名宇航員在三次航天飛機任務中使用過它。
一個較小的版本被稱為EVA救援的簡化援助(SAFER)則是在宇航員漂離航天器並需要回收的情況下作為最後的工具而開發的。由於其較小的尺寸，它的推進劑較少，所以只打算在緊急情況下使用。
挑戰者號災難
1986年1月，航天飛機計劃已經順利運行了近5年並成功完成了24次部署衛星和在太空進行實驗的任務。STS-51-L計劃是第25次總體任務，也是挑戰者號的第10次任務。
它的任務目標是發射一顆跟蹤和數據中繼衛星以及Spartan Halley航天器–以從地球大氣層外觀察哈雷彗星。據悉，七名機組人員中包括一名教師–Christa McAuliffe，她贏得了成為太空中第一位教師的榮譽。因為這個因素，NASA向全美各地的學校提供了發射的衛星直播，於是，這一代的兒童看到了這場災難的發生。
悲劇發生后，NASA和其他地方的調查顯示，低溫導致兩個O型環失效從而導致氣體泄漏和發射過程中飛船解體。為此，航天飛機計劃停止了近三年，直到1988年9月，奮進號(Endeavour)航天飛機被建造出來以替代失去的飛船。
麥哲倫號金星探測器的發射
亞特蘭蒂斯號(Atlantis)航天飛機於1989年5月4日發射，並執行了為期四天的任務。這次任務的唯一目標是將麥哲倫號金星探測器送入軌道以提前前往我們的姐妹行星。麥哲倫號的名字來自第一個環遊地球的人–斐迪南·麥哲倫。這個名字很合適，因為這個太空探測器也有一個類似的任務，它將繪製出整個金星的表面。然而這項任務幾乎沒有實現，因為在挑戰者號災難發生后不得不調整優先次序。
麥哲倫號金星探測器是第一個由航天飛機送入軌道的探測器，其在發射后15個月完成了前往金星的旅程。它在1990年8月進入金星周圍的軌道，一個月後開始發回金星表面的圖像，另外還使用雷達穿過厚厚的金星大氣。麥哲倫號完成了對該星球的六次飛越，根據《不列顛百科全書》，其繪製了該顆星球總表面的98%，遠遠超出了任務目標。1994年10月，任務控制中心向麥哲倫號發出最後指令，然後將其送入金星大氣層，在那裡，它將收集空氣動力學數據並最後燒毀。
發射哈勃太空望遠鏡
發現號(Discovery)航天飛機於1990年4月24日從肯尼迪航天中心發射，其攜帶了五名宇航員和哈勃太空望遠鏡進入低地球軌道。在距離地球表面332英里的高度，機組人員使用遠程操縱系統(RMS)從航天飛機的貨艙部署望遠鏡，這是一個在航天飛機內部控制的機械臂。該機械臂將望遠鏡固定在原地，機組人員則準備將其釋放。
哈勃是以埃德溫哈勃命名的，他的工作對大爆炸的發現做出了貢獻。不到一個月後，哈勃發回了它的第一張圖像並幾乎立即開始對遙遠宇宙的性質做出了驚人的發現。從那時起，哈勃發回了一百多萬張圖像，涉及內容從我們太陽系的行星到宇宙的最遠處。
隨後的五次航天飛機任務對望遠鏡進行了維護以安裝新的儀器或修理和更換設備。
梅·傑米森的第一次也是唯一一次飛行
美國第一位黑人女航天員–梅·傑米森的生活在前往太空之前就已經相當引人注目。據悉，她在斯坦福大學獲得了化學工程學位，之後又到康奈爾大學醫學院學習。後來，她擔任了和平隊的醫生和醫療官員。
傑米森於1987年參加了宇航員培訓計劃並於1992年作為STS-47的機組成員登上奮進號航天飛機。在飛船上，她擔任任務專家，另外利用空間實驗室展開了骨細胞實驗和其他工作。
她以每班開始時的問候語“Hailing frequencies open”而出名，這是對《星際迷航》的引用，她是該書的粉絲。
在STS-47之後，傑米森離開NASA並在達特茅斯大學任教，另外還創建了自己的技術公司–Jemison Group。儘管她很快就離開了，但她在太空旅行和流行文化史上留下的印記卻經久不衰。
跟和平號對接
在國際空間站之前，有一個和平號(Mir)，這是由前蘇聯運營的第三代空間站。它的核心模塊有六個對接端口，可用於附加模塊和與航天器連接。
1995年6月，亞特蘭蒂斯號航天飛機展開了10天的任務，而其中一半時間就在和平號上進行。這次發射本身是美國執行的第100次載人空間任務，也是航天飛機跟俄羅斯空間站或任何空間站的首次對接。
航天飛機還載着宇航員阿納托利·索洛維耶夫和尼古拉·布達林前往空間站，在那裡他們將控制和平號並接替根納季·斯特雷卡洛夫和弗拉德米爾·德舒羅夫及諾曼·薩加德–第一位在和平號上服務的美國宇航員。
當航天飛機跟和平號對接時，合併的飛船成為當時有史以來在軌道上運行的最大的航天器。這些合作努力為最終成為國際空間站和一個國際空間合作的時代奠定了基礎。
約翰·格倫重返太空
約翰·格倫作為水星計劃的一員，在航天史上贏得了自己的地位。他駕駛着Friednship 7並成為第五個進入太空的人類和第一個環繞地球的美國人。格倫後來從NASA退休，這似乎代表着他在太空的時間已經結束。
然後36年後，格倫加入了發現號航天飛機上的STS-95機組。當時他已經77歲了，這使他有機會創造另一個紀錄，即成為有史以來飛往太空的最年長的宇航員。
在接下來的10天時間裡，格倫擔任任務專家並進行了主要涉及他自己和太空旅行對衰老過程影響的實驗。在飛行期間，格倫被監測到對他的平衡、免疫系統、睡眠模式和其他一些生物過程的任何影響。任務成功執行，格倫再次作為英雄返回地球，並為美國太空探索的兩個重要時代畫上了句號。
建設國際空間站
STS-88是緊隨約翰·格倫歷史性地返回太空之後的任務。六名機組人員乘坐奮進號航天飛機飛往軌道，他們攜帶了Unity Node，這是國際空間站的第一個美國製造的部件。
乘員組將Unity跟已經在軌道上運行的Zarya模塊連接起來，該模塊由美國資助但由俄羅斯建造和發射。在12天的任務中，宇航員進行了三次太空行走以連接模塊。另外，他們還測試了前面提到的SAFER系統。
當乘員們完成了空間站的連接和初始設置時，任務專家傑里·羅斯創造了一個新的太空行走紀錄，他在飛船外的太空時間超過了44小時。隨着Zarya和Unity的成功對接，空間站的建設正式開始，與此同時也標誌着航天飛機計劃的主要目標之一的開始。
國際空間站最終將由16個加壓模塊組成，寬度超100米，其為人類在太空的持續存在提供一個軌道家園。該空間站已被證明是非常成功，以至於20多年來每一天都有人在軌道上。
哥倫比亞號災難
STS-107於2003年1月16日下午從肯尼迪航天中心上船。這是哥倫比亞號航天飛機的第28次飛行–該航天飛機於1981年開始實施該計劃–然而不幸的是，這也成為了它的最後一次飛行。七人機組在軌道上運行了近16天並在研究雙艙(RDM)中進行了一些科學實驗。據悉，在發射時，一塊泡沫從推進劑罐中脫落並擊中了航天飛機的左翼。從地面上看，不清楚損壞的確切位置或程度，並且以前類似事件的經驗表明可能沒有什麼可擔心的。
然而不幸的是，情況並非如此。碰撞損壞的是機翼上的熱屏蔽瓦，這使得其在重返大氣層時發生熱量積聚並最終導致飛船解體。機上的七名宇航員全部遇難。NASA立即召集了一個調查委員會，航天飛機項目再次被擱置了兩年多。之後，該機構決定讓航天飛機計劃持續足夠長的時間來完成空間站的建設，然後再退役。
一個時代的結束
2011年7月8日，當阿特蘭蒂斯號帶着四名機組人員升空時，人們見證了最後一次航天飛機任務的發射。在到達低地球軌道后，航天飛機在跟國際空間站對接前進行了為期兩天的旅行，機組人員花時間檢查了航天飛機的熱屏蔽層是否有損壞。這些檢查包括一個後空翻動作，這樣國際空間站上的工作人員就能從近距離目視檢查屏蔽層。在登上國際空間站后，STS-135號機組人員向國際空間站運送物資，其中包括用於貨物轉移的工具–Raffaello多功能物流艙。發射12天半后，阿特蘭蒂斯號返回地球。當航天飛機着陸時，它不僅標誌着航天飛機計劃的結束，而且也標誌着在可預見的未來從美國本土進行的所有載人發射。
航天飛機機組人員在離開國際空間站之前交付了一面小小的美國國旗，這面國旗將留在空間站，直到下一個從美國本土發射的機組人員到來之後。從2011年開始，所有機組人員的發射都通過俄羅斯的聯盟號飛船進行，這種情況一直持續到SpaceX的龍龍飛船跟NASA合作之後。2020年，當宇航員鮑勃·貝恩肯和道格·赫爾利乘坐載人龍飛船Demo-2抵達國際空間站時他們將國旗帶回了美國。