עוד לפני נחיתת אפולו 11 על הירח ב־1969, החלה נאס"א בתכנונים מוקדמים של מעבורת החלל. ב־1969, נשיא ארצות הברית ריצ'רד ניקסון הקים את "קבוצת משימות החלל" (Space Task Group) שנוהלה על ידי סגן נשיא ארצות הברית ספירו אגניו. הקבוצה העריכה את כל ממצאי המחקר של נאס"א, והמליצה על אסטרטגיית חלל חדשה שתכלול בניית מעבורת חלל. המטרה, כפי שהוצגה על ידי נאס"א בקונגרס, הייתה לספק אמצעי זול בהרבה להגעה לחלל, שישמש את נאס"א, מחלקת ההגנה ומשתמשים מסחריים ומדעיים אחרים.
במהלך התכנונים המוקדמים של המעבורת, היו דיונים רבים בקשר לעיצוב האופטימלי למעבורת, שייקח בחשבון את יכולות, עלויות הפיתוח ועלויות התפעול. בסופו של דבר נבחר העיצוב הנוכחי, המשתמש במעבורת מכונפת בעלת יכולת שימוש חוזר, רקטות האצה לשימוש חוזר ומכל דלק מתכלה.
תוכנית מעבורות החלל החלה רשמית ב־5 בינואר 1972, כשהנשיא ניקסון הודיע כי נאס"א תמשיך עם פיתוח מערכת שיגור לחלל בעלת יכולת שימוש חוזר. התכנון היה לשגר 50 משימות בשנה, בתקווה להוריד את העלויות לכל משימה.
העיצוב הסופי שנבחר למעבורת היה זול יותר לבנייה ופחות שאפתני מבחינה טכנית מאשר עיצובים אחרים של המעבורת. התכנון המקורי של המעבורת כלל מכל דלק חיצוני גדול יותר, שהיה נכנס למסלול יחד עם המעבורת, שם היה יכול לשמש כמחלקה של תחנת חלל, אבל רעיון זה "חוסל" משיקולים כלכליים ופוליטיים.
הקבלנית הראשית של התוכנית הייתה חברת נורת' אמריקן אוויאיישן (מאוחר יותר רוקוול אינטרנשיונל וכיום בואינג), אותה חברה שהייתה אחראית על בניית תאי הפיקוד/שירות של החללית אפולו. הקבלן הראשי לייצור רקטות ההאצה של המעבורת הייתה חברת ט'יאוקול (כיום חלק מאליאנט טקסיסטמס). לייצור מכל הדלק הנתיק חברת מרטין מריאטה (כיום חלק מלוקהיד מרטין), ולייצור מנועיה הראשיים של מעבורת החלל חברת רוקטדיין (כיום חלק מחברת פראט אנד ויטני).
המעבורת הראשונה שנבנתה תוכננה להיקרא בשם "קונסטיטושן" (Constitution - חוקה), אבל מסע תעמולה של מעריצי סדרת הטלוויזיה "" שכנע את הבית הלבן לשנות את שמה לאנטרפרייז. בקולות רבים, מעבורת החלל אנטרפרייז (OV-101) הוצגה לראשונה ב־17 בספטמבר 1976, ומאוחר יותר ביצעה סדרת משימות ניסוי שכללו דאיות ונחיתות מוצלחות.
כני השיגור במרכז החלל קנדי, שנבנו במקור על מנת לשמש את טילי הסטורן 5 של תוכנית אפולו, עברו הסבה כך שיתאימו לשיגורי מעבורות החלל. אתר שיגור נוסף נבחר, בסיס חיל האוויר ונדנברג בקליפורניה, ומתחם שלם בבסיס עבר שיפוץ. ונדנברג יועד לשמש כבסיס השיגור מהחוף המערבי של ארצות הברית אך לאחר אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר הוחלט לצמצם את היקף הטיסות של המעבורות והתוכנית לשגר מעבורות מונדנברג בוטלה. רוב משימות מעבורות החלל (78) נחתו במרכז החלל קנדי, שאר המשימות למעט משימה אחת (STS-3) נחתו בבסיס חיל האוויר אדוארדס שבקליפורניה ומשימת STS-3 נחתה בנמל החלל וייט סנדס שבניו מקסיקו. בסיס חיל האוויר ונדנברג היה אמור לשמש גם כן כאתר נחיתה אך לאחר אסון צ'לנג'ר וביטול השיגורים המתוכננים מונדנברג בוטלו גם הנחיתות באתר. שדות תעופה שונים ברחבי העולם יועדו לשמש כאתרי נחיתה עבור המעבורות במקרה חרום.
פעילות.
המעבורת המבצעית הראשונה הייתה מעבורת החלל קולומביה (OV-102), שנבנתה בפאלמדייל, קליפורניה. קולומביה הועברה למרכז החלל קנדי (KSC) ב־25 במרץ 1979, ושוגרה לראשונה ב־12 באפריל 1981 - יום השנה ה־20 לשיגורו של יורי גאגארין לטיסת החלל המאוישת הראשונה בהיסטוריה. במשימה זו שוגרו רק שני אסטרונאוטים. מעבורת החלל צ'לנג'ר (OV-099) הועברה ל־KSC ביולי 1982 וביצעה את טיסתה הראשונה (STS-6) ב־4 באפריל 1983 בה בוצעה הליכת החלל הראשונה בתוכנית. צ'לנג'ר נשאה במשימת STS-7 ב־18 ביוני 1983 את סאלי רייד, האסטרונאוטית האמריקאית הראשונה. צ'לנג'ר נבנתה במקור כמעבורת לניסויים מבניים (STA-099) אבל לבסוף שופצה והפכה למעבורת לכל דבר כאשר התברר שהמרת המעבורת אנטרפרייז (שנבנתה כמעבורת לבחינת הדאייה והנחיתה) יקרה יותר. מעבורת החלל דיסקברי (OV-103) הועברה ל־KSC בנובמבר 1983 ושוגרה למשימתה הראשונה (STS-41-D) ב־30 באוגוסט 1984. מעבורת החלל אטלנטיס (OV-104) הועברה ל־KSC באפריל 1985 וביצעה את טיסתה הראשונה (STS-51-J) ב־3 באוקטובר 1985.
ב־28 בינואר 1986, 73 שניות לאחר שיגור מעבורת החלל צ'לנג'ר למשימת STS-51-L, התפוצצה המעבורת בגלל כשל ברקטת ההאצה הימנית. שבעת האסטרונאוטים במעבורת נספו והתוכנית קורקעה. רק כעבור כמעט 3 שנים ב־29 בספטמבר 1988 שוגרה המעבורת דיסקברי למשימת STS-26. בעקבות אסון המעבורת צ'לנג'ר הוקמה ועדת חקירה שחוץ מחקירת האירוע הציגה מסקנות שבעקבותם הוחלט לצמצם את מספר הטיסות מטיסה אחת כל שבועיים לטיסה אחת כל חודשיים והוחלט שלא יתוכננו עוד מעבורות מלבד אלו שכבר החלו בשירטוטם. מעבורת החלל אנדוור נבנתה בעיקר מחלקי חילוף שיועדו למעבורות האחרות החליפה את המעבורת צ'לנג'ר והועברה ל־KSC במאי 1991. אנדוור ביצעה את טיסתה הראשונה (STS-49) ב־7 במאי 1992.
ב־1995 המעבורת דיסקברי עגנה בהצלחה בתחנת החלל מיר הרוסית כחלק מתוכנית מיר ומעבורות החלל במהלכה בוצעו 11 טיסות בשיתוף פעולה עם סוכנות החלל הרוסית. ב־4 בדצמבר 1998 נשאה המעבורת אנדור STS-88 את היחידה השנייה של תחנת החלל הבינלאומית והראשונה שנישאה על ידי מעבורת. עוד עשר משימות מעבורת נשאו יחידות נוספות ועוד משימות רבות שימשו לאספקת מטען והחלפת צוותים בתחנה.
ב־1 בפברואר 2003, בעת החדירה לאטמוספירה, כ־16 דקות לפני הנחיתה המתוכננת במרכז קנדי, התפרקה מעבורת החלל קולומביה בעקבות פגיעה במגני החום של המעבורת בעת השיגור. למעבורת קולומביה שהתפוצצה בפברואר 2003 לא נבנתה מחליפה. המעבורת אנטרפרייז שימשה במהלך השנים כספקית חלקי חילוף למעבורות האחרות. בנוסף למעבורות אלו נבנה על ידי נאס"א דגם מעבורת שקיבל את השם פאת'פיינדר.
מעבורות החלל שוגרו למגוון רחב של פעילויות ביניהם:
אסונות.
ב־135 משימות ששוגרו, שתי מעבורות אבדו, וצוותי המעבורות (14 סך הכל) נספו:
תהליכי פרישה.
ב־14 בינואר 2004 הציג נשיא ארצות הברית דאז ג'ורג' בוש את החזון לחקר החלל. לפי החזון, מעבורות החלל היו צריכות להתמקד בהשלמת בניית תחנת החלל הבינלאומית עד ל־2011 ולאחר מכן לפרוש.
חוק ההרשאה של נאס"א לשנת 2008.
ב־15 באוקטובר 2008 חתם נשיא ארצות הברית דאז, ג'ורג' בוש, על חוק ההרשאה של נאס"א לשנת 2008 שאושר בקונגרס והוסיף משימה נוספת לתוכנית מעבורות החלל - משימת STS-134 - שתביא אל תחנת החלל הבינלאומית את ה־Alpha Magnetic Spectrometer.
חוק ההרשאה של נאס"א לשנת 2010.
ב־11 באוקטובר 2010 חתם נשיא ארצות הברית ברק אובמה, על חוק ההרשאה של נאס"א לשנת 2010 שאושר בקונגרס והוסיף עוד משימה לתוכנית מעבורות החלל - משימת STS-135 - שנועדה להשלים את בניית תחנת החלל הבינלאומית.
פרישה.
ב־24 בפברואר 2011 נחתה דיסקברי ממשימת STS-133 ופרשה משירות, ב־16 במאי 2011 חזרה אנדוור ממשימת STS-134 ופרשה משירות וב־21 ביולי 2011 נחתה אטלנטיס ממשימת המעבורת האחרונה - STS-135 - ופרשה משירות.
מחליף.
החללית אוריון יועדה להיות מחליפתה של המעבורת כחלק מתוכנית קונסטליישן אך התוכנית בוטלה ב־2010. למרות ביטול התוכנית, נאס"א הודיעה ב־24 במאי 2011 כי פיתוח החללית אוריון יימשך תחת השם Multi-Purpose Crew Vehicle. בספטמבר 2011 הודיעה נאס"א כי היא החלה בתכנון המשגר החדש (במקום ארס 1 וארס 5 שבוטלו עם תוכנית קונסטליישן) שישא את חלליות ה־MPCV.
בנוסף לחללית אוריון מפתחת חברת SpaceX את חללית הדרגון שתשמש לטיסות מאוישות ובלתי מאוישות גם אל תחנת החלל הבינלאומית. טיסת הבכורה של החללית בוצעה בהצלחה בדצמבר 2010. החללית נישאה ותינשא על גבי משגר הפאלקון 9 שפותח גם הוא על ידי חברת SpaceX.
עלויות.
במהלך התכנונים המוקדמים של תוכנית מעבורות החלל, נאס"א העריכה כי פיתוח התוכנית יעלה כ־7.45 מיליארד דולרים (כ־43 מיליארד בדולרים של 2011) ועוד כ־9.3 מיליון דולרים (45 מיליון בדולרים של 2011) לכל שיגור. העלות המוערכת לשיגור מטען למסלול לווייני נמוך היה 260 דולר לכל ק"ג (1,400 בדולרים של 2011) בהנחה שכל יכולת הנשיאה של המעבורת (30,000 ק"ג) נמצאת בשימוש וש־50 משימות משוגרות כל שנה.
העלות הכוללת בסך הכל, מוערכת נכון ל־2011 בכ־196 מיליארד דולרים (של 2011).
תקציב נאס"א לשנת 2005 הקצה כ־30% (5 מיליארד דולר) מהתקציב של שנה זו לתוכנית מעבורות החלל וב־2006 ירד הסכום ל־4.3 מיליארד דולר. סכומים רבים בתוכנית שימשו לא רק לשיגור המעבורות. בין 2004 ל־2006 למשל, נאס"א הוציאה כ־13 מיליארד דולרים על תוכנית מעבורות החלל אף על פי שהמעבורות היו מקורקעות בעקבות אסון הקולומביה ורק שלוש משימות שוגרו במהלך שנים אלו. בשנת 2009 הקצה תקציב נאס"א 2.98 מיליארד דולר ל־5 טיסות, כולל 490 מיליון דולרים ל"תיכלול התוכנית", 1.03 מיליארד לתפעול מרכזי הבקרה ו־1.46 מיליארד לתחזוקת המעבורות.
כלים נוספים בתוכנית מעבורות החלל.
על מנת לתפעל את מעבורות החלל, לתחזק אותם ולאימון צוותי המעבורות, נבנו מספר כלים נוספים:
אלטר-אגו
כיכר היינריך היינה
כיכר היינריך היינה היא מבנן סמוך למרכז הכרמל בחיפה. המבנן בנוי כמעין מלבן שבתיו הזוגיים על צלעו המערבי ובתיו האי זוגיים על הצלע המקבילה. בצידו הצפוני של המלבן מגדל מים, תחנת כיבוי אש וקיוסק, במרכזו גן ציבורי והגבול הדרומי הוא רחוב צפרירים.
מגדל המים.