卫星、宇宙飞船或空间轨道站虽然冲出了大气圈。然而它们大多即能“一次性使用”，价值几百万、成千万甚至上亿元的设备和仪器抛弃在太空，不仅在经济上是重大的损失，而且会增加“太空垃圾”，对太空事业将造成危害。如前苏联“礼炮6号”空间轨道站在175天（1977年9月29日发射，1982年7月29日在大气中焚毁）的航天活动中，光为运输人员和给养，就损失了5艘“联盟号”飞船。这种费用以“一日万金”形容也毫不为过。能否制造一种既可航天又能反复使用的新型飞行器呢？
那就是集火箭、飞机与卫星优点于一身的航天飞机。它又称空中渡船，在大气层内外都能运动自如。起飞时像火箭一样垂直发射，用火箭推动；进入轨道后，它又像卫星那样在原设计轨道上运行（不要任何燃料）；回来进入大气层后。又像普通飞机那样可以滑翔着陆。只要经过大约两个星期的检查和维修，它又可重新上天，可反复使用100多次。
在美国，航天飞机的方案早在1972年1月已经确定了，经过多年的研究和试制，1978年8月12日，一架经过改装的波音747飞机驮着“企业号”试验航天飞机，进行了第一次飞行试验并获得成功。以后又经过了四五次试验，于是，人类第一架载人航天飞机“哥伦比亚号”，在1981年4月12日当地时间7时顺利飞上了太空。
航天飞机发射的场面十分壮观。运载火箭点燃后，浓烟滚滚，烈焰腾腾，灼热的高温烧焦了周围1600平方米内的杂草，强大的冲击波摧毁了几百米外的电线网，使周围5000米内的建筑物震颤不已，近旁的摄像机、广播喇叭也被气流卷走了——但航天飞机里面的2名航天员却安然无恙。只有似乎在乘高速电梯时的那种感觉。“哥伦比亚”最后进入了一条绕地球飞行的椭圆轨道，最近时高度为11112千米，最远时24076千米。它在空中飞行了54小时31分，绕地球转了36圈，于4月14日13时21分安全着陆。
美国的航天飞机可载3～7人及30多吨货物，在轨道上工作7～30天。舱内有与地面大致相同的人造大气环境，温度始终保持在185～24℃之间。宇航员的生活条件是任何其他宇宙飞船无法比拟的。1995年6月27日，美国“亚特兰蒂斯号”作了第100次航天飞行，现在美国制造的航天飞机共有5架。
不久，苏联的航天飞机研究成功，并于1988年进行了首次飞行。它的发射时间几经推迟，直到11月25日莫斯科时间6时，“暴风雪号”航天飞机才由“能源号”运载火箭送上天空。“暴风雪号”长30米，高16米，机身直径56米，总重约100吨。内有10个座位。从外形看来，它与美国的几架航天飞机十分相似。“暴风雪号”的首次航行只进行了三个多小时，在绕地球两圈后于当天9时25分着陆。着陆的地方离开发射场只有12千米。苏联解体后，航天事业受到极大冲击，这架航天飞机后来成为参观设施，再也没有上过天。
航天飞机为人们开辟了自由进出太空的通道，其重要性是不言而喻的。它可以让人进入太空，把一些卫星“放”到轨道上去，也可以把那些已失去功能的卫星修复，或者拖回地面来“动手术”后，再让它回到天上去。例如1984年4月6日，美国“挑战者号”第五次上天时，带着5名宇航员及一颗重11吨的卫星。它入轨后，把携带的卫星“放”进了预定的轨道，再改变方向去修复已失效了的“太阳观测卫星”。航天飞机在480千米的高度上飞行，以每秒26米的相对速度迎接目标。4月8日，航天飞机离它仅只60米了，这时宇航员纳尔逊带上了喷气背包步出机舱，到太空中去抓它。他努力了三次，好不容易才抓住了卫星的太阳帆板，可由于用力太猛，卫星急速地翻滚起来……后来还是由地面指挥中心发出了新指令，才使它重新稳定，并由机械手把它拖进了航天飞机。宇航员给它调换了一些部件后，于4月12日再重新放回太空，使它恢复了先前的功能。现在许多行星探测器，如“麦哲伦”金星探测器，“伽利略”木星探测器等都是在航天飞机上发射出去的。
航天飞机不仅大大降低了发射人造卫星的成本，而且有明显的商业价值。由于那儿几乎处于失重状态，因此可以提炼出最纯的稀有金属，能够制造出在地球上无法制造的合金，合成一些平时无法制造的药物，甚至用来作为商业性飞行。1984年8月30日，“发现者”首次航行时，6名宇航员中有个名叫查尔斯·沃克的工程师，就是世界上第一个自费太空游客。机票价格是8万美元。当然这个35岁的科学家是有自己目的的，人们估计他想在太空中制造一种用于治疗癌症的酶。至今，美国的确已制出了世界上第一批在太空生产的商品，1985年美国国家标准局已正式标价出售了。那是一种小得肉眼难以分辨、直径仅10微米的聚苯乙烯微粒，它们是绝对标准的球状体，极其均匀划一，十分惹人喜爱。20世纪90年代初美国仅从通信卫星和资源卫星中，每年的收益就高达900多亿美元，俄罗斯拍的一些卫星照片，在国际市场上的价格高达3000万美元一帧，所以收入十分可观。