シャトルの着陸は、初期はカリフォルニア州エドワーズ空軍基地に、ケネディ宇宙センターの滑走路が整備された後は基本的にはケネディ宇宙センターで行われることが多かった。ケネディ宇宙センターの天候が不順な場合は回復するまで宇宙で待機したり、あるいはエドワーズ空軍基地やその他世界中に配置された代替基地に着陸することもできた。ただしケネディ以外の施設に着陸するということは、その後にシャトル輸送機でケープ・カナベラルまで運ばれて来なければならないことを意味した。また代替着陸基地の1つのホワイト・サンズ空軍基地の滑走路はシャトルが着陸するには整備が不十分という問題もあった。STS-3ではコロンビア号がニューメキシコ州のホワイト・サンズ空軍基地に着陸したが、この滑走路は当時はまだ整備が行き届いておらず、細かい砂が機体に入り込んでその後の整備が大変だった。また、シャトルを空輸するためのクレーン設備も準備する必要があるなど問題があった。結局、同基地に着陸したのはこの1回だけである。代替着陸施設は多数あるが、エドワーズ空軍基地とホワイト・サンズ空軍基地以外は使用されることはなかった。エドワーズ空軍基地についても、シャトルの大陸横断に掛かる多額のコストのため近年はできるだけ利用しない方針が採られており、日本人最後の乗務となったSTS-131の着陸時にも一時は使用が決定していたが、最終的にはケネディ宇宙センターへの着陸となった。
軌道に乗ると、シャトルは様々な、しばしば相互に関連した任務をこなす。1980年代から90年代にかけては、NASAとヨーロッパ宇宙機関が共同開発した宇宙実験室 (Spacelab) などを含む宇宙科学計画や、多種多様な衛星や科学探査機の軌道投入に使用されてきた。90年代から2000年代にかけては衛星打上げの任務は減少し、計画の焦点はもっぱら宇宙ステーションの建設に移った。ほとんどの飛行は数日から2週間程度で終了するが、軌道滞在期間延長機器 (Extended Duration Orbiter) を搭載したり国際宇宙ステーションにドッキングすれば、滞在期間をさらに延長することもできる。
操縦室の窓と貨物搭載室ドアの間の機体側面には、軌道船の名称が書かれている。また搭載室ドア後部の下側には、NASAの表象と「United States」の文字および星条旗が描かれている。国旗は右側主翼にももう一つある。文字に使用されている書体はヘルベチカである。
固体燃料補助ロケット (SRB) は2基合計で発射時に必要とされる推力の83%、約1,250万ニュートン（1,276.8トン）を発生し、打上げから2分後、高度約15万フィート(46km)に達したところで切り離され、パラシュートで海に着水して回収される。外殻は厚さ13mmの鋼鉄でできている。SRBは何度も再使用されるもので、一例を挙げれば2009年に試験発射されたアレスI-Xロケットは、過去48回のシャトルの飛行で使用されたSRBの部品を寄せ集めて作られたものであり、その中には1981年の初飛行 (STS-1) で使われたものも含まれていた。
外部燃料タンク (ET) の主な機能は、軌道船のメイン・エンジンに燃料の液体水素と酸化剤の液体酸素を供給すると同時に、2本のSRBと軌道船を接続し、全体を支える骨組みとなることである。ETはシャトルの中では唯一再使用されない部分で、飛行のたびに投棄されているが、軌道に投入して（宇宙ステーションに接続するなどして）利用することは構想としては検討されていた。
飛行可能な機体は6機製造された。初号機エンタープライズは宇宙に行けるようには作られてはおらず、もっぱら滑空試験のためのみに使用された。実用化されたのは、コロンビア、チャレンジャー、ディスカバリー、アトランティス、エンデバーの5機である。当初はエンタープライズも進入着陸試験が終了した後に実用機として改造される予定だったが、構造試験のために製造されたSTA-099をチャレンジャー (OV-099) に改造したほうが安上がりだと判断された。チャレンジャーは1986年、発射から73秒後に爆発事故を起こして機体が失われたため、機体構造の予備品として残っていたものを集めて新たにエンデバーが製作された。コロンビアは2003年に空中分解事故を起こして消滅した。
1967年10月11日の夜、英国欧州航空284便はデハビランド・コメット4B（機体記号:G-ARCO、1961年製造）で運航されており、イギリス・ ヒースロー空港から操縦乗員3名、客室乗務員4名、乗客38名が搭乗して離陸した。翌日12日午前1時11分（以下現地時間）にギリシアのアテネ空港に着陸し、ここで客室乗務員が交替し、乗客6名が降機し、あらたに乗客27名が搭乗した。ここからキプロスのニコシアまでは本来キプロス航空が運航する区間であり、「キプロス航空284便」となるべきであったが、引き続きBEAが運航を担当していた。午前2時30分に乗員7名乗客59名を乗せて出発し午前2時41分に離陸した。284便は航空路R29Bを高度29,000フィートを巡航していた。午前2時58分には北に向かうBEAの同僚のコメット機が284便の下1000フィートを通過し、互いに確認したが、これが284便が目撃された最期の姿となった。それから20分して284便から意味不明の混乱した通信を航空管制が受信した後に失踪した。そのためキプロスにあるイギリス軍基地から捜索機が出発したが、3時間後にギリシア・ロドス島の東南東約150キロメートルはなれた北緯35度55分、東経30度01分の地中海に墜落し、ジェット燃料の油膜や浮遊していた航空機の残骸や遺体を発見した。乗員乗客66名全員が死亡した。後に犠牲者59名の遺体が回収された。