衛星、宇宙飛船或空間軌道站雖然衝出了大氣圈。然而它們大多即能“一次性使用”，價值幾百萬、成千萬甚至上億元的設備和儀器拋棄在太空，不僅在經濟上是重大的損失，而且會增加“太空垃圾”，對太空事業將造成危害。如前蘇聯“禮炮6號”空間軌道站在175天（1977年9月29日發射，1982年7月29日在大氣中焚毀）的航天活動中，光為運輸人員和給養，就損失了5艘“聯盟號”飛船。這種費用以“一日萬金”形容也毫不為過。能否製造一種既可航天又能反複使用的新型飛行器呢？
那就是集火箭、飛機與衛星優點於一身的航天飛機。它又稱空中渡船，在大氣層內外都能運動自如。起飛時像火箭一樣垂直發射，用火箭推動；進入軌道後，它又像衛星那樣在原設計軌道上運行（不要任何燃料）；回來進入大氣層後。又像普通飛機那樣可以滑翔著陸。隻要經過大約兩個星期的檢查和維修，它又可重新上天，可反複使用100多次。
在美國，航天飛機的方案早在1972年1月已經確定了，經過多年的研究和試製，1978年8月12日，一架經過改裝的波音747飛機馱著“企業號”試驗航天飛機，進行了第一次飛行試驗並獲得成功。以後又經過了四五次試驗，於是，人類第一架載人航天飛機“哥倫比亞號”，在1981年4月12日當地時間7時順利飛上了太空。
航天飛機發射的場麵十分壯觀。運載火箭點燃後，濃煙滾滾，烈焰騰騰，灼熱的高溫燒焦了周圍1600平方米內的雜草，強大的衝擊波摧毀了幾百米外的電線網，使周圍5000米內的建築物震顫不已，近旁的攝像機、廣播喇叭也被氣流卷走了——但航天飛機裏麵的2名航天員卻安然無恙。隻有似乎在乘高速電梯時的那種感覺。“哥倫比亞”最後進入了一條繞地球飛行的橢圓軌道，最近時高度為111.12千米，最遠時240.76千米。它在空中飛行了54小時31分，繞地球轉了36圈，於4月14日13時21分安全著陸。
美國的航天飛機可載3～7人及30多噸貨物，在軌道上工作7～30天。艙內有與地麵大致相同的人造大氣環境，溫度始終保持在18.5～24℃之間。宇航員的生活條件是任何其他宇宙飛船無法比擬的。1995年6月27日，美國“亞特蘭蒂斯號”作了第100次航天飛行，現在美國製造的航天飛機共有5架。
不久，蘇聯的航天飛機研究成功，並於1988年進行了首次飛行。它的發射時間幾經推遲，直到11月25日莫斯科時間6時，“暴風雪號”航天飛機才由“能源號”運載火箭送上天空。“暴風雪號”長30米，高16米，機身直徑5.6米，總重約100噸。內有10個座位。從外形看來，它與美國的幾架航天飛機十分相似。“暴風雪號”的首次航行隻進行了三個多小時，在繞地球兩圈後於當天9時25分著陸。著陸的地方離開發射場隻有12千米。蘇聯解體後，航天事業受到極大衝擊，這架航天飛機後來成為參觀設施，再也沒有上過天。