航天飞机(也称太空梭,space shuttle)则是可重复使用的大型载人航天器,与飞船最大的不同在于其飞机形状的机体。航天飞机在发射时利用火箭推力从发射台垂直升空,着陆时则像普通飞机一样水平降落在机场跑道上。与飞船相比,航天飞机的优点和缺点同样显著:航天飞机一次升空可载七名宇航员和大量物资,还可携带大型整件物品(如空间站舱段和哈勃望远镜),在建设国际空间站时成为主力;航天飞机可捕捉在轨卫星进行现场维修,甚至能将卫星带回地球修理;航天飞机的起飞和着陆过程较为舒适,使得专业科研人员只经过少量航天训练就可进入太空。然而,由于重复使用,航天飞机的机体渐渐老化,增大了故障发生的几率;航天飞机没有可靠的逃生手段,一旦出问题就会造成重大灾难;美国航天飞机发射时必须载人,用它来发射卫星显得代价高昂。终于,美国的所有航天飞机在2011年悉数退役,航天飞机时代结束了。