根据NASA的档案，五艘适航的航天飞机被建造出来，并在1981年至2011年期间总共完成了135次低地球轨道的任务。在那段时间里，档案材料指出，航天飞机计划负责在微重力下进行科学实验、部署和回收卫星、发射哈勃太空望远镜并帮助建造国际空间站。
航天飞机的每一项任务都是无数科学家、工程师和探险家挑战人类能力极限的结果，他们为现代太空探索搭建了舞台。航天飞机计划的遗产在国际空间站继续存在，另外也渗透到了开发更新的可重复使用的飞船如SpaceX的猎鹰9号火箭和载人龙飞船中。虽然这些任务中的每一项以及驾驶它们的宇航员都应在人类探索史上占有一席之地，但这些航天飞机任务留下的印记比其他任务更深。
企业号
在航天飞机能够飞向星空之前，首先必须建造和测试它。考虑到这一点，NASA跟North American Rockwell Corporation签订了合同以建造第一架航天飞机用于地面和大气层内的测试。Space.com指出，为这第一架航天飞机计划的最初名字叫Constitution，但在“星际迷航”粉丝的协调运动之后它最终采用了一个更戏剧化的名字。根据一份发送给杰拉尔德·福特总统的备忘录，NASA收到了来自粉丝的数十万封信，他们希望航天飞机能以《星际迷航》中深受喜爱的USS Enterprise命名。福特则表示，他喜欢这个名字，因为它跟一艘同名的海军舰艇有关。
根据NASA的记录，这个名字最终被改变了，“企业号(Enterprise)”航天飞机于1976年在Gene Roddenberry和原版系列演员的见证下从制造现场下线。在接下来的一年里，科学家们完成了一整套测试以确定该计划的太空价值。这些测试包括俘虏式飞行，其中包括航天飞机被连接到一个被称为航天飞机运载机(SCA)的改装波音747上。企业号还完成了自由飞行，在被释放之前它在SCA上被带到高空。
虽然企业号本身没有进入太空，但它为美国宇航局历史上最富有成果和最激动人心的时期之一铺平了道路。
第一次飞行
企业号的最后一次飞行发生在1977年10月，四年后随着哥伦比亚号(Columbia)的首次飞行，航天飞机计划正式启动。这次首次航天飞机飞行任务是最短的一次，它只持续了两天多。NASA的记录显示，宇航员约翰·杨和罗伯特·克里彭将航天飞机飞到离地球表面166英里的高度。在他们在轨道上的时间里，两位宇航员绕地球36圈并进行了一些测试。
据了解，STS-1的主要目的只是为了测试飞船的性能。它通过使用哥伦比亚号上的两个仪器包来实现这一目标。这两个仪器包为发展性飞行仪器(Developmental Flight Instrumentation)和空气动力系数识别包(Aerodynamic Coefficient Identifications Package)，它们负责记录航天飞机在飞行过程中的温度、压力和其他力量。
不过这次任务遇到了一些小问题，其中包括隔热罩的一些损坏及一个警报显示一个辅助动力装置出现过冷的情况。在这两种情况下，任务控制中心确定对任务没有任何风险。1981年4月14日上午，杨成功地将哥伦比亚号送上地面并载入史册。
女宇航员莎莉·莱德的首次飞行
1983年6月18日发射的STS-7是航天飞机的第七次总任务，也是挑战者号的第二次任务，并且这次任务还将美国第一位女性宇航员进入太空。虽然两位女宇航员瓦伦蒂娜·捷列什科娃和斯韦特兰娜·萨维茨卡娅以前曾为苏联执行过飞行任务，但莱德则是为NASA打破了这个最高的玻璃天花板。这次飞行使莱德成为民间英雄并成为过去和现在在太空项目中代表性不足的妇女的可能性的象征。值得庆幸的是，女性宇航员的数量正在上升，而所有这些都是由于莱德的存在而得以实现的，至少占据了部分原因。
在STS-7期间，莱德是一名任务专家，其职责包括操作航天飞机的机械臂和部署卫星。莱德的飞行持续了六天多，在1983年6月24日降落在爱德华兹空军基地之前，其完成了97次绕地球飞行。1984年，莱德回到挑战者号进行第二次飞行，这次她再担任STS-41-G的任务专家。她原计划进行第三次飞行，但由于挑战者号被摧毁而被取消。2003年，莱德被列入美国宇航员名人堂。
空间实验室的诞生
对粉丝来说，太空旅行本身就很有价值，如果只是为了探索这一切。虽然挑战极限和超越地平线的旅行是足够的理由，但宇航员在离开地球时进行的科学活动为这项工作带来了额外的价值。所有的航天任务都有一些内在的科学价值，但宇航员在STS-9期间将航天飞机上的Spacelab增加到一个新的水平。由ESA开发的Spacelab是一套仪器，其中包括加压和非加压模块，其可根据每个任务的具体科学目标进行混合和匹配。
Spacelab总共在22次航天飞机任务中使用过。在其寿命期间，宇航员进行了70多次太空实验室实验--内容包括调查太阳物理学、材料科学、生命科学等。这个轨道实验室可以说是为日后的ISS等更多永久性的轨道实验室奠定了基础。
第一次无系绳太空行走
即使在今天，大多数舱外活动(EVA)--通常被称为太空行走--都是安全地拴在航天器上进行的，NASA指出，在STS-41-B之前，所有的活动都是如此。1984年2月，当宇航员布鲁斯·迈克坎德勒斯将自己拴在载人机动装置(MMU)上并漂离航天飞机时情况发生了改变。MMU利用氮气罐产生推力以作为一种坐式喷气包在太空中飞行。这次飞行的照片看起来就像宇航员坐在一张休闲椅上，然通过扶手上的控制来回移动。
根据NASA的记录，STS-41-B机组的另一名成员鲍勃·斯图尔特也使用MMU完成了一次无系留的太空行走，这两名宇航员在EVA期间都冒险离开了航天飞机约300英尺（约91米）。MMU的目的是为宇航员提供额外的机动性以便从他们的航天器上回收卫星或其他有效载荷。在退役之前，总共有四名宇航员在三次航天飞机任务中使用过它。
一个较小的版本被称为EVA救援的简化援助(SAFER)则是在宇航员漂离航天器并需要回收的情况下作为最后的工具而开发的。由于其较小的尺寸，它的推进剂较少，所以只打算在紧急情况下使用。
挑战者号灾难
1986年1月，航天飞机计划已经顺利运行了近5年并成功完成了24次部署卫星和在太空进行实验的任务。STS-51-L计划是第25次总体任务，也是挑战者号的第10次任务。
它的任务目标是发射一颗跟踪和数据中继卫星以及Spartan Halley航天器--以从地球大气层外观察哈雷彗星。据悉，七名机组人员中包括一名教师--Christa McAuliffe，她赢得了成为太空中第一位教师的荣誉。因为这个因素，NASA向全美各地的学校提供了发射的卫星直播，于是，这一代的儿童看到了这场灾难的发生。
悲剧发生后，NASA和其他地方的调查显示，低温导致两个O型环失效从而导致气体泄漏和发射过程中飞船解体。为此，航天飞机计划停止了近三年，直到1988年9月，奋进号(Endeavour)航天飞机被建造出来以替代失去的飞船。
麦哲伦号金星探测器的发射
亚特兰蒂斯号(Atlantis)航天飞机于1989年5月4日发射，并执行了为期四天的任务。这次任务的唯一目标是将麦哲伦号金星探测器送入轨道以提前前往我们的姐妹行星。麦哲伦号的名字来自第一个环游地球的人--斐迪南·麦哲伦。这个名字很合适，因为这个太空探测器也有一个类似的任务，它将绘制出整个金星的表面。然而这项任务几乎没有实现，因为在挑战者号灾难发生后不得不调整优先次序。
麦哲伦号金星探测器是第一个由航天飞机送入轨道的探测器，其在发射后15个月完成了前往金星的旅程。它在1990年8月进入金星周围的轨道，一个月后开始发回金星表面的图像，另外还使用雷达穿过厚厚的金星大气。麦哲伦号完成了对该星球的六次飞越，根据《不列颠百科全书》，其绘制了该颗星球总表面的98%，远远超出了任务目标。1994年10月，任务控制中心向麦哲伦号发出最后指令，然后将其送入金星大气层，在那里，它将收集空气动力学数据并最后烧毁。
发射哈勃太空望远镜
发现号(Discovery)航天飞机于1990年4月24日从肯尼迪航天中心发射，其携带了五名宇航员和哈勃太空望远镜进入低地球轨道。在距离地球表面332英里的高度，机组人员使用远程操纵系统(RMS)从航天飞机的货舱部署望远镜，这是一个在航天飞机内部控制的机械臂。该机械臂将望远镜固定在原地，机组人员则准备将其释放。
哈勃是以埃德温哈勃命名的，他的工作对大爆炸的发现做出了贡献。不到一个月后，哈勃发回了它的第一张图像并几乎立即开始对遥远宇宙的性质做出了惊人的发现。从那时起，哈勃发回了一百多万张图像，涉及内容从我们太阳系的行星到宇宙的最远处。
随后的五次航天飞机任务对望远镜进行了维护以安装新的仪器或修理和更换设备。
梅·杰米森的第一次也是唯一一次飞行
美国第一位黑人女航天员--梅·杰米森的生活在前往太空之前就已经相当引人注目。据悉，她在斯坦福大学获得了化学工程学位，之后又到康奈尔大学医学院学习。后来，她担任了和平队的医生和医疗官员。
杰米森于1987年参加了宇航员培训计划并于1992年作为STS-47的机组成员登上奋进号航天飞机。在飞船上，她担任任务专家，另外利用空间实验室展开了骨细胞实验和其他工作。
她以每班开始时的问候语“Hailing frequencies open”而出名，这是对《星际迷航》的引用，她是该书的粉丝。
在STS-47之后，杰米森离开NASA并在达特茅斯大学任教，另外还创建了自己的技术公司--Jemison Group。尽管她很快就离开了，但她在太空旅行和流行文化史上留下的印记却经久不衰。
跟和平号对接
在国际空间站之前，有一个和平号(Mir)，这是由前苏联运营的第三代空间站。它的核心模块有六个对接端口，可用于附加模块和与航天器连接。
1995年6月，亚特兰蒂斯号航天飞机展开了10天的任务，而其中一半时间就在和平号上进行。这次发射本身是美国执行的第100次载人空间任务，也是航天飞机跟俄罗斯空间站或任何空间站的首次对接。
航天飞机还载着宇航员阿纳托利·索洛维耶夫和尼古拉·布达林前往空间站，在那里他们将控制和平号并接替根纳季·斯特雷卡洛夫和弗拉德米尔·德舒罗夫及诺曼·萨加德--第一位在和平号上服务的美国宇航员。
当航天飞机跟和平号对接时，合并的飞船成为当时有史以来在轨道上运行的最大的航天器。这些合作努力为最终成为国际空间站和一个国际空间合作的时代奠定了基础。
约翰·格伦重返太空
约翰·格伦作为水星计划的一员，在航天史上赢得了自己的地位。他驾驶着Friednship 7并成为第五个进入太空的人类和第一个环绕地球的美国人。格伦后来从NASA退休，这似乎代表着他在太空的时间已经结束。
然后36年后，格伦加入了发现号航天飞机上的STS-95机组。当时他已经77岁了，这使他有机会创造另一个纪录，即成为有史以来飞往太空的最年长的宇航员。
在接下来的10天时间里，格伦担任任务专家并进行了主要涉及他自己和太空旅行对衰老过程影响的实验。在飞行期间，格伦被监测到对他的平衡、免疫系统、睡眠模式和其他一些生物过程的任何影响。任务成功执行，格伦再次作为英雄返回地球，并为美国太空探索的两个重要时代画上了句号。
建设国际空间站
STS-88是紧随约翰·格伦历史性地返回太空之后的任务。六名机组人员乘坐奋进号航天飞机飞往轨道，他们携带了Unity Node，这是国际空间站的第一个美国制造的部件。
乘员组将Unity跟已经在轨道上运行的Zarya模块连接起来，该模块由美国资助但由俄罗斯建造和发射。在12天的任务中，宇航员进行了三次太空行走以连接模块。另外，他们还测试了前面提到的SAFER系统。
当乘员们完成了空间站的连接和初始设置时，任务专家杰里·罗斯创造了一个新的太空行走纪录，他在飞船外的太空时间超过了44小时。随着Zarya和Unity的成功对接，空间站的建设正式开始，与此同时也标志着航天飞机计划的主要目标之一的开始。
国际空间站最终将由16个加压模块组成，宽度超100米，其为人类在太空的持续存在提供一个轨道家园。该空间站已被证明是非常成功，以至于20多年来每一天都有人在轨道上。
哥伦比亚号灾难
STS-107于2003年1月16日下午从肯尼迪航天中心上船。这是哥伦比亚号航天飞机的第28次飞行--该航天飞机于1981年开始实施该计划--然而不幸的是，这也成为了它的最后一次飞行。七人机组在轨道上运行了近16天并在研究双舱(RDM)中进行了一些科学实验。据悉，在发射时，一块泡沫从推进剂罐中脱落并击中了航天飞机的左翼。从地面上看，不清楚损坏的确切位置或程度，并且以前类似事件的经验表明可能没有什么可担心的。
然而不幸的是，情况并非如此。碰撞损坏的是机翼上的热屏蔽瓦，这使得其在重返大气层时发生热量积聚并最终导致飞船解体。机上的七名宇航员全部遇难。NASA立即召集了一个调查委员会，航天飞机项目再次被搁置了两年多。之后，该机构决定让航天飞机计划持续足够长的时间来完成空间站的建设，然后再退役。
一个时代的结束
2011年7月8日，当阿特兰蒂斯号带着四名机组人员升空时，人们见证了最后一次航天飞机任务的发射。在到达低地球轨道后，航天飞机在跟国际空间站对接前进行了为期两天的旅行，机组人员花时间检查了航天飞机的热屏蔽层是否有损坏。这些检查包括一个后空翻动作，这样国际空间站上的工作人员就能从近距离目视检查屏蔽层。在登上国际空间站后，STS-135号机组人员向国际空间站运送物资，其中包括用于货物转移的工具--Raffaello多功能物流舱。发射12天半后，阿特兰蒂斯号返回地球。当航天飞机着陆时，它不仅标志着航天飞机计划的结束，而且也标志着在可预见的未来从美国本土进行的所有载人发射。
航天飞机机组人员在离开国际空间站之前交付了一面小小的美国国旗，这面国旗将留在空间站，直到下一个从美国本土发射的机组人员到来之后。从2011年开始，所有机组人员的发射都通过俄罗斯的联盟号飞船进行，这种情况一直持续到SpaceX的龙龙飞船跟NASA合作之后。2020年，当宇航员鲍勃·贝恩肯和道格·赫尔利乘坐载人龙飞船Demo-2抵达国际空间站时他们将国旗带回了美国。