TMD的高空層導彈防禦（upper tier defense）是TMD係統的核心部分。其研製構想是擴張現有的反導彈點防禦能力，使之具有“麵防禦”能力。美國目前正在研發兩套TMD高空層導彈防禦係統。
（1）陸基的“戰區高空層區域導彈防禦係統，”（Theater High Area Defense，THAAD）。THAAD係統由兩個獨立但又是相互支持的單位組成：其一是THAAD攔截武器係統，其二是TMD/THAAD陸基雷達搜索、追蹤和火力控製雷達係統。該雷達是一種陸基雷達（GBR）。THAAD是TMD技術的核心部分之一。它將著眼於在大氣層外攔截彈道導彈，以使核武器和生化武器的攻擊威脅降低到最低程度，是TMD中能夠對付各種射程導彈的防禦係統。其基本攔截手段與PAC-3一樣是“動能截殺器”（Kinetic Killing Vehicle，KKV）對目標導彈進行HTK撞擊式擊毀，但技術要求是能夠具備“你射我也射”（shoot-look-shoot）的能力，這是PAC-3和NAWD所不具備的。美國軍方目前的計劃是，到2007年，能夠有第一套可以實際操作的THAAD係統問世。
（2）THAAD的海基型或“艦載型”，即“海軍全戰區係統”（Navy Theater-Wide Defense，NTWD）。其發射平台也是“宙斯盾級”軍艦。它旨在利用“宙斯盾”級戰艦在海上遊弋的機動性，進一步補充陸基THAAD防禦係統的覆蓋麵，擴大陸基THAAD的搜索和攔截範圍，並使其本身也具有THAAD能力，能夠在大氣層外對來襲的目標導彈進行截殺。美國國防部現在的NTWD研製構想是利用和升級“宙斯盾級”軍艦艦載的“標準3型”防空導彈，進行技術強化和升級，增加其助推器、裝備新型攔截彈頭和跟蹤、定位裝置性能，使其達到THAAD的攔截能力要求。其中，攔截導彈將采用“輕型大氣層外投擲器”（Lightweight Exo-atmospheric Projectile，LEAP）為助推動力和運載體。彈頭也是使用KKV技術對目標導彈進行HTK撞擊式擊毀。在製導技術方麵，NTW攔截導彈將采用全新的SDACS製導係統，並采用了新型的第三級助推火箭發動機。美國軍方從80年代末以來就投資了4億美元研發LEAP導彈投擲係統。目前，NTW係統的研製有兩個軍火承包商來競爭，一是波音公司，二是雷神公司（Raytheon）。美國軍方將比較這兩家研發的NTW的性能決定取舍。
無論是NAW還是NTWD，都是在美軍宙斯盾艦載武器係統技術上的革新和發展。VLS係統則是其中的一個基礎部分。與NAW和PAC-3不同的是，NTWD不具備對作戰飛機、巡航導彈和彈道不超過大氣層的短程導彈的攔截能力，隻能攔截中程彈道導彈。NAW和PAC-3既可以進行戰術導彈防禦，還可以進行防空作戰。設計中的NTWD攔截導彈的射程不超過1200公裏。NTWD的防禦範圍取決於具備NTWD能力的宙斯盾軍艦與目標導彈發射地之間的關係。如果一艘NTWD宙斯盾軍艦停靠在與目標導彈發射地較近的海域，可以防禦直徑為2000公裏的戰區，其基本作戰範圍為1000公裏。[40]五角大樓從1997年到2001年，為NTWD製訂了一係列飛行試驗計劃。該係統的作戰過程包括四個過程：助推升空階段、大氣層內和大氣層外中段飛行階段、彈頭和推進器分離階段和最後的製導/攔截階段。研製成功後的NTWD的作戰半徑可以達到1000公裏以上，攔截高度最高為150公裏。美國海軍目前的設想是，到2010年，美國將擁有79艘具有TMD低空層和高空層導彈防禦能力的戰艦。其中的VLS係統的攔截導彈發射器將達到8156具。[41]這些戰艦都將具有導彈攻擊和導彈防禦的雙重功能。
THAAD是整個美國TMD研製中的關鍵部分，也將是決定TMD技術能否成熟和最終什麼時間正式投入部署的決定性因素之一。陸基THAAD從1992年開始研製，自1996年以來已經進行了6次實彈飛行試驗，均告失敗。為此，美國國防部已經把TMD的研製重點放在了NTWD上。1999年1月，五角大樓宣布除1998年美國國會原有對TMD和NMD計劃預算中的35億美元撥款之外，從1999—2005財政年度為NTWS新增撥款50億美元，力爭在2007—2010年完成對NTWD的研製、生產和部署。科恩在1999年1月20日表示，美國將繼續研製陸基THAAD，然後在2000年末評估陸基THAAD和NTWS，以決定哪一個將首先進入實戰部署。目標是在2007年至少這兩者中有領先的一個將進入實戰裝備。[42]總的來說，THAAD和NTWD是“高空層戰區導彈防禦係統”的陸基和海基兩套功能相同的係統，可以相互補充，強化TMD的導彈防禦能力和所覆蓋的區域。
TMD的研製構想中還包括一套TMD的核心操作係統，改進美軍導彈防禦方麵的戰鬥管理、指揮、控製和通訊能力（Battle Management/Command，Control and Communication，BM/C3），並建立以PAC-3為主的陸基戰區導彈防禦係統和海軍區域導彈防禦係統。
現有的TMD研製進程中還包括“中程擴展防空係統”（Medium Extended Area Defense System，MEADS）、“機載激光反導彈武器係統”（簡稱Airborne Laser，ABL）。MEADS是美國和北約的歐洲國家聯合研製的、具有部分TMD能力的反導彈係統。ABL是TMD的空基，或稱“機載激光導彈防禦係統”。按照現有研究構想，ABL將是一種十分高精尖的激光反導彈武器，其研製設想是在敵方導彈在升空/助推階段（即導彈飛行的第一階段），就能夠在第一時間將其摧毀。TMD計劃的最後一個組成部分是研製出TMD的“高級概念”（advanced concepts）。這主要是指能夠對飛行初期和中期的戰區彈道導彈進行有效攔截的導彈防禦能力，並在技術上達到攔截方式的多樣化。
目前，整個TMD尚在研製和試驗之中，離作為一項真正成熟並可以投入現役準備的武器係統還有一段距離。在TMD的各個武器單位中，除了對新的反導彈加緊研製之外，衛星、雷達和軍事通訊設施所組成的搜索、監視、預警、定位、追蹤到火控及製導係統，也都隨著TMD的研製在全麵更新和升級。1995—1999年3月，TMD已經進行了13次試驗，成功的隻有2次。但是，以美國現有的武器技術水準，再加上美國目前開發TMD決心已定，TMD的整個經費投入又都有相當保證，到21世紀初期，TMD中大部分武器單位開發成功，並逐步進入生產和實戰裝備應該是可以預見的。即使對TMD的前景持疑問態度的人，也隻是懷疑TMD到底會在多大程度上成功的問題，或是整個TMD會不會成功的問題，而不是簡單的TMD能否成功的問題。換句話說，TMD中現有的若幹、甚至大部分武器單位非常有可能在2005年前後研製成功。
1999年3月15日，美國首次PAG3飛行攔截實驗獲得成功，2000年7月21日，PAC-3對巡航導彈攔截試驗再度成功。這意味著PAC-3武器係統技術已經基本成型。1999年6月10日，THAAD飛行試驗中，攔截導彈在離地麵80公裏的高空，摧毀了一枚單級模擬敵方來襲導彈；1999年8月2日的THAAD飛行試驗中，攔截導彈在距離地麵80公裏以上的高空，摧毀了一枚二級模擬敵方目標導彈。這兩次THAAD飛行試驗的成功，終於結束了在此之前6次THAAD飛行試驗無一次成功的曆史。1999年8月21日，美國現任BMDO局長卡迪什（Ronald Kadish）宣布，五角大樓相信THAAD在技術上已經過關，為此，取消原定於1999年下半年進行的另外一次THAAD飛行攔截試驗，決定將以後的TMD試驗的重點，放在THAAD的綜合調試上。[43]在這兩次THAAD飛行試驗之前，美國國內外普遍對TMD係統技術成功可能性表示懷疑。到1999年9月之後，TMD的技術前景一下子似乎明朗化起來。但對NTW係統仍然無法表示樂觀。
1997年5月16日，五角大樓批準了NTWD的初步設計方案和風險評估報告。但9月的NTWD的控製試驗失敗了。NTWD的飛行試驗將在2000年下半年開始進行，其綜合攔截飛行試驗將在2001年進行。根據BMDO局長卡迪什2000年4月在參議院聽證會上的發言，軍方當前的計劃是到2006年左右可以擁有NTWD的第一艘艦載能力——BLOCK IA，到2008年擁有調整後的BLOCK IB。[44]THAAD的飛行試驗確實比NTWD表現得要好得多。克林頓政府為TMD項目在2001財政年度提出的撥款預算是17億美元。整個TMD計劃預算撥款到2003年將進入高潮。THAAD現在的研發經費是35億美元。五角大樓當前對TMD的部署計劃是，到2007年開始部署1233枚具有THAAD作戰能力的戰區高空層攔截導彈，77套發射器，11座陸基TMD雷達。估計單這一部分費用就將達到133億美元。平均每枚THAAD攔截導彈的造價為1000萬美元。