轨道器表面带有隔热保护层，再入期间受隔热系统保护。过去的美国航天器基本采用烧蚀隔热罩，但为重复使用设计的轨道器也需要配备能多次使用的隔热罩。再入时，隔热系统外侧的温度高达1600°C，但必须保证轨道器的铝质外壳温度低于180°。航天飞机隔热系统主要由四类隔热瓦组成，轨道器前锥和两翼前缘的温度超过1300°，由碳纤维强化碳质复合材料保护。1998年，科研人员开发加厚型碳纤维强化碳质复合材料并装上航天飞机，防止机体因微流星体和太空垃圾受损，并在隔热瓦损坏导致“哥伦比亚号”灾难后进一步改善。从任务开始，轨道器均配有机翼前缘碰撞检测系统，发现任何潜在损伤都能向机组人员预警。轨道器底面及其他温度最高的位置都有耐高温且可重复使用的表面绝缘材料保护。轨道器上部涂有可重复使用的白色低温表面绝缘层，适合在温度低于650°时提供保护。货舱门和机翼部分上表面涂有可重复使用的化学纤维绝缘层，能抵抗低于370°的温度。