美國航天飛機總長度為56.14米，起飛時總重量為2043噸。它由三部分組成:壹個外部容器，壹個軌道飛行器和壹對固體火箭助推器。外貯箱是壹次性的，裝有液氧和液氫燃料，直徑8.39米，長47米，總重743噸。軌道飛行器和助推火箭是根據標準規格組裝的，這對於每次任務都是通用的。
軌道器的空重約68噸，是DC-9噴氣式飛機重量的2.5倍。它長37.24米，翼展23.79米。它可以向太空發射總重量為29.5噸的衛星、太空探測器或其他貨物。所有貨物裝在壹個長18米，寬4.5米的貨艙裏。它的三個主發動機非常先進，壹排裝配在航天飛機尾部，燃料推進劑通過直徑30厘米的管道從外貯箱的輸送管中獲取。每臺主機每秒消耗508公斤燃油，燃燒室壓力高達200個大氣壓。換句話說，每平方厘米的壓力是211 kg，所以發動機很小，但能產生很大的推力。以前火箭發動機的燃燒壽命只有幾分鐘，而航天飛機的主發動機就不壹樣了。設計燃燒壽命高達7.5小時，可承擔約55次任務。因為它有先進的兩級燃燒系統:推進劑在低溫高壓下部分燃燒，然後在主燃燒室內完全燃燒。這種方法的燃燒效率高達99%。除了主發動機，軌道器中還有兩個軌道發動機，它們使用軌道器貯箱中的推進劑，每個發動機可以產生2.7噸的推力。
軌道發動機有三個作用:壹是巨大的外貯箱扔掉後，推動軌道器進入地球軌道；第二，為太空變軌提供機動性；第三，任務結束，發動機點火制動，使軌道器脫離地球軌道，踏上返回地球的航程。軌道發動機的點火時間長達15小時，因此每臺發動機可執行100次任務。軌道飛行器還有壹個復雜的環境控制系統，為宇航員維持壹個舒適宜人的環境。
軌道器內的空氣、溫度、濕度和氣壓與地球上的相同，所以宇航員可以不穿宇航服在軌道器內生活和工作，除非他們想在艙外工作。軌道器與冷熱空間完全隔離(陽光照射時)，但宇航員、電氣設備和實驗室的化學反應會放出熱量。如果這些熱量積累過多，就會造成危險。因此，軌道器中的空氣通過壹些熱交換器將部分熱量轉移到冷水管道中，以降低空氣溫度；水管中的熱量被另壹組氟利昂冷卻管吸收，再通過貨艙內壁上巨大的散熱器輻射到太空，從而保證艙內溫度在18~27攝氏度之間。軌道器內還安裝了碳過濾層和氫氧化鋰過濾器，過濾掉艙內空氣中的二氧化碳、微量廢氣和異味，然後向氣體中充入氧氣和氮氣，以保持空氣中氣體含量的平衡，補充因泄漏而損失的少量氣體。
另外，在失重狀態下，熱空氣無法上升形成對流。為了防止空氣被截留並形成氣溶膠，機艙內使用風扇來保持空氣流通。軌道器的駕駛室看起來像噴氣式民用飛機的駕駛室，但有壹點不同:民用飛機的飛行員在操作飛機時是坐著的；航天飛機的駕駛員仰面躺著。透過駕駛室的擋風玻璃，他只能看到壹望無際的天空。指揮官坐在左邊，司機坐在右邊。兩者都有壹套T型儀表盤，有空速表、姿態表、高度表和方向表。儀表板中央有壹個小電視屏幕，用於顯示其他信息。指揮員和飛行員可以通過和飛機上壹樣的踏板控制尾舵左右轉彎；通過控制柱點燃推進器組，在再入和著陸機動時控制軌道器的姿態(在軌飛行期間)和軌道器氣動翼面的傾角。軌道飛行器在重返階段沒有動力。整個軌道器安裝在推進劑箱的背面。
固體助推器長45.46米，直徑3.7米。每次推力1300噸。固體助推器的推進劑是高氯酸鋁、氧化鋁和氧化鐵粉末以及粘結劑的混合物。燃燒123秒後，推進劑消耗量達到503.6噸。像軌道飛行器壹樣，固體助推器被多次使用。壹對助推器完成助推任務後，會濺入海洋，由拖船回收。