航天飞机的发展可以追溯到早期的科学幻想和本世纪初火箭先驱者们的宏伟计划。1981年8月12日，美国“哥伦比亚”号航天飞机首航成功，极大地鼓舞了人们开发宇宙、利用宇宙的信心。随后，航天飞机得到了快速的发展，人类开发宇宙的梦想正逐步变成现实。
第二次世界大战后，火箭技术的突破为航天飞机的研制提供了可能。1947年10月14日，美国贝尔飞机公司研制的贝尔X-1飞机，飞行速度达到了1.06马赫。它不仅有普通飞机的驾驶设备，而且装有火箭控制装置，因此，能在极高的稀薄空气中操纵自如。随后，这种以火箭作动力的研究性飞机又产生了几种改进型。
1951年，美国贝尔飞机公司又制订了一个发展可重复使用的空间飞机的方案，这个被称为贝尔·波米的飞行器共分为两部分：第一部分是带翼的助推器，装有5台大型火箭发动机；第二部分体积不大，有3台火箭发动机。在空中，这架笨重的火箭飞机两部分分离，带翼助推器滑翔返回基地，第二部分则依靠本身贮箱中的推进剂继续飞行。
1959年11月，美国波音公司与空军签订了研制一种载人空间滑翔机的合同。这是一种三角翼滑翔机，也即有人驾驶的火箭助推滑翔飞机。它既有大气层中使用的普通气动控制装置，也有空间飞行用的喷气发动机，称做“戴纳-索尔”。这种飞机在大气层边缘靠空气反弹飞行，可以绕地球飞行几圈。考虑到它再入大气层时要经受极严酷的气动加热环境，因此，它的壳体将采用超级耐高温合金、陶瓷和石墨材料。以后，美国又准备使“戴纳-索尔”具备航天飞机的能力。
1962年7月，罗伯特·M·怀特驾驶X-15飞机升到了103269米的高空，创造了新纪录。10月，X-15带2个外挂燃料箱，时速达到了7272公里。但是，X-15计划随后也遭到了挫折，在同年的11月15日，美国空军少校丁·亚当斯在他的第7次飞行中，在侧滑时可能看错了滚动指示器的读数，致使飞机再入大气层时偏离航向而造成不稳定和失速，在18288米的高空，飞机终于碎裂，他本人丧生。
当“戴纳-索尔”计划正在执行的同时，还有一种新一代的小型试验飞行器在兰利研究中心通过了高超音速风洞试验。这种外形短粗的飞行器被称作升力飞行器。第一架升力飞行器是M2-F1，它看上去是圆筒状，外面贴有胶合板，只能用来在低速条件下试验。
1963年3月，M2-P1第一次试飞，它由一辆卡车牵引着，在爱德华空军基地的干涸湖床上飞驶，达到了飞行速度，但由于摆动剧烈，因而只飞行了极短的时间。4月，第二次试飞，它顺利升空，航速达到了每小时195公里。这种小型的M2-F1飞行器共进行了90次试飞，基本上获得了成功。1964年，M2-F2和HL-10两种重型试验机开始制造。
这两种飞行器同X-15一样，都是在13.7万米的高空中，从一架航速为每小时720公里的改进型B-52轰炸机上发射的。1966年3月，一架不带发动机的M2-F2固定在B-52轰炸机的机翼下，开始了首次不分离的试飞。4个月后，它在1370米的高空第一次与母机分离，以每小时320公里的滑翔速度在干涸的湖床上着陆。
1967年5月，M2-F2飞行器由于遇到了轻微的侧向风，曾经受了一次最严重的考验，它在最后将要对准干湖跑道飞行时，突然发生了严重的“横滚”，驾驶员奋力操纵，虽然使飞行器恢复了控制，但此时却已偏离了航向。由于看不到跑道的标志，因而驾驶员不能判断自己的飞行高度，而发送无线电信号的跟踪飞机也与他的相对位置发生了变化，担任营救的直升机则因为离得太近而来不及提供援助。
情况变得更加不妙！由于高度不明，又来不及飞回正确的航向，驾驶员不得不开始紧急着陆。拉平动作刚完成，起落架已伸出一半儿的M2-F2就重重地撞在了湖床上，它弹出了25米远，接着，又一次重重地撞在地面上。
它翻倒在地上，主起落架、驾驶舱、舱盖和右舱都被撞毁脱落，驾驶员也身负重伤，幸而没有生命危险。
相比之下，HL-10火箭推进飞行器则取得了成功。1970年8月，它的飞行高度达到了23000米，时速达到了1630公里。
1968年8月，美国航宇局负责载人航天的助理局长乔治·米勒，出席了在英国召开的行星际协会的会议。会上，他向报界透露，美国航宇局对制造航天飞机怀有浓厚的兴趣，他说：“我想预先告诉诸位，航天活动的下一次冲刺，是要研制一种经济的、能在地球和空间运行的设施之间往返飞行的运载器。”1969年初，美国着手研究空间发展计划的各种可能性。2月，以副总统阿格纽为首成立了一个“空间任务小组”，制订了一个“阿波罗”计划完成以后的协调的空间计划。9月，该小组提出了一份报告，建议发展可重复使用的航天飞机系统：“……发展空间运转的新技术系统，首先需要通过一项发展新型空间运输能力的计划……”10月16日，在华盛顿召开的航天飞机会议上，宣布投资80亿美元，正式开展航天飞机具体方案的研制工作，预计在20年内收回成本。这从根本上改变了过去运载火箭研制资金不能回收的状况。
航天飞机的各个部件是分别生产的。1974年6月，洛克韦尔国际公司航天分公司，在加利福尼亚州莫哈维沙漠的棕榈谷中开始组装乘员舱。同年8月，开始组装机身后段。到1975年，美国各地的有关部件开始不断地向加利福尼亚的棕榈谷汇集，被送进空军的42号车间。
1975年秋季，第一架全尺寸的航天飞机样机终于在洛克韦尔公司的组装车间里完成总装。这架航天飞机的代号是轨道器-101号，这表明它是轨道器总家族中的老大。当轨道器1976年接近最后定型时，美国立即面临怎样给它命名的问题，航宇局自然想沿袭历来航天器命名的惯例，起个能表达出爱国热忱的名称——“建设”号，但此时，美国著名电视系列片《星际航行》的狂热观众们采取了一致行动，向美国政府施加压力，要求以《星际航行》中担任主角的航天飞机——“创业”号来命名。福特总统面对10万封热切的来信，最后同意了他们的要求。
1976年9月17日，正好在航天飞机正式批准继续研制的4年零9个月后，101号轨道器在一个管乐队的伴奏下，随着电视片《星际航行》主题音乐的旋律缓缓驶出，展现在公众的面前。这是一架敦实的三角翼式飞机，它的外表似乎不像航天器，至少不像美国电视观众们所熟悉的那种航天器，但实际上它确确实实是航天器，而且可能是当时最令人兴奋的空间飞行工具——航天飞机。
1977年8月12日上午，时钟刚指到9点，一架敦实的三角翼式飞机低低掠过加利福尼亚沙漠的上空，平稳地降落在干透了的湖库上。这架革命性的航天飞机的机身上，镶有著名的美国航宇局NASA字样，还有众所周知的星条旗。2名驾驶员是航天老手弗雷德·海斯和戈登·富勒顿。以后，它又进行了多次着陆等一系列试验。1978年底，它按计划作完全部试验后，作为一个永久性的开路先锋，完成了它在航天飞机计划中的全部使命而退出历史舞台。
第一架真正的航天飞机是“哥伦比亚”号，它长约56米，高为23米多，起飞重量约2000吨，由上下两部分组成。上部是轨道器，长约37米，翼展宽约23米，自重68吨，其体积与大型喷气式客机相似；驮着轨道器的是两台固体助推器和一个外贮箱，处于两台固体助推器之间的外贮箱也是一个庞然大物，它长47米，直径约8米，内部装有上千吨燃料——液氢和液氧，这些液氢和液氧也是作为轨道器上主发动机的推进剂。
1981年4月14日，可以说是美国举国狂欢的日子，教师停止了授课，学生早已坐等在电视机前。在曼哈顿的一家西服店里，一位顾客正对着穿衣镜试穿衣服。他刚想对裁缝的手艺发出评论和感慨，却发现自己周围根本就没有服务人员，往日殷勤而周到的裁缝为了观看电视实况转播，竟然把自己的顾客孤零零地留在了穿衣镜前。
是什么使这些美国人如此神魂颠倒呢？原来，再过十几分钟，两天以前从美国卡纳维拉尔角发射的航天飞机“哥伦比亚”号，就要在加利福尼亚州的爱德华空军基地着陆了！
在爱德华空军基地，4架T-38歼击机整装待发，准备以一个同步方阵飞行5分钟，这样就便于在1.2万米的高空与“哥伦比亚”号会合，并跟踪它到降落为止。它的任务是在航天飞机下降时向航天员提供最准确的高度和速度信息，并在“哥伦比亚”号着陆之前拍摄到所有的飞行情景。
转眼间，经过50多个小时的飞行之后，“哥伦比亚”号航天飞机开始重返大气层，它已环绕地球36圈。
“哥伦比亚”号预定在17点49分1秒到达12.2万米高处的大气层顶部。17点47分，“哥伦比亚”号飞出了关岛站接收区，它将在5.8万米高度飞进加利福尼亚海滨上空，在这之前一切通信联系都将暂时中断，然后，全要靠约翰·杨和克里平他们自己了。
航天飞机终于飞进了12.2万米这个航宇局定义的大气屏障，它现在正以24.6倍的地面音速飞行着，在此之前，世界上没有一个人曾经驾驶飞机达到过这样的速度。
今天，航天飞机正发挥着重要的作用，一次又一次地创造出令人瞠目的奇迹。1982年11月11日，“哥伦比亚”号航天飞机在它的第11次飞行中，把两颗总重量为6吨多的商业性卫星送入轨道，一颗是美国卫星商业系统公司的“SBS-3”卫星，另一颗是加拿大的“安尼克-C”卫星。每一颗的发射费用约为900万美元，而一般从地面用火箭发射1颗通信卫星，则需花3200—3400万美元，比较起来，用航天飞机发射卫星既便宜又方便。
1983年4月4日，美国第二架航天飞机“挑战者”号，首次在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射上天，成功地进入预定轨道。4月7日晚上，“挑战者”号在经过4个小时的追逐后，赶上了数千里之外出现故障的“跟踪与数据中继卫星”。当航天飞机驶到距这颗带故障的卫星60米远处，航天员马斯格雷夫和彼得森经过努力，终于将它拖入航天飞机敞开的货舱内，固定在修理台上。4月12日，他们对修复的卫星作了各种测试后，航天飞机上的机械手又把卫星重新送回轨道上去。修复这颗卫星花费了4500万美元，但如果再制造发射这样一颗卫星，就需要花费两亿三千五百万美元。
1984年8月30日至9月5日，美国第三架航天飞机“发现”号又腾空而起，开始了它的处女航。“发现”号在历时6天的飞行中，环球巡天96圈，行程约400万公里。在头3天的飞行中，每天成功地发射了一颗通信卫星，创造了三发三中的记录和在一次飞行中连续发射3颗卫星的新记录。随后，他们试验了一种长32米、宽4米的大型太阳能帆板，它用轻质塑料制成。当航天飞机发射时，它被折叠后放进一个18厘米高的长方形盒子里，进入轨道后能自动展开。帆板上可嵌装84块太阳能电池，这次试验只装上其中一块，它一旦研制成功，就可使航天飞机的电源增加1倍。
1992年5月7日，美国发射了“奋进”号航天飞机，它的主要任务之一是回收和修复“国际通信卫星”-6号，这是美国航空和航天局的第7次太空修复计划，也是美国航天飞机的第47次飞行。“奋进”号航天飞机进入太空后，便开始追赶这颗卫星。13日，3名航天员飘出货舱慢慢接近了卫星，这时卫星正以每秒0.2周的速度旋转着。他们脚上系着安全绳，互成120度排开，几乎同时抓住了卫星。经过1个多小时的努力，3名航天员终于稳住了卫星，并将身体调整到合适的位置。希布一只手托住卫星，另一手举起“捕获杆”，索特抓住这根杆，然后将它卡在卫星底座上，整个过程用了1小时47分。25分钟后，在座舱内的布鲁斯·梅尔尼克用机械手抓住捕获杆的一头，慢慢地把它抓回航天飞机的有效载荷舱里，然后为其更换了上面级火箭，任务完成得十分圆满。