美國太空梭的設想產生於六十年代， 當時阿波羅登月飛船正處於全面研製階段， 但尚未進行飛行。 從執行航太計畫的最初情況看， 利用一種可重複使用的發射系統實現頻繁地、經濟地進入空間的目標似乎是合理的。 1967年2月， 總統科學顧問委員會支援可重複使用航天器的想法， 建議研究“大概包括部分或全部回收並使用的更為經濟的渡船系統”。
1969年9月， 初次登月後兩個月， 由副總統主持的航太試驗組提出了可供選擇的三個長期計畫：1、每年80—100億美元的計畫， 包括用可重複使用的渡船， 即太空梭進行載人火星探險，
1970年3月， 尼克森總統表示， 雖然他支援繼續積極發展航太計畫， 但是同阿波羅計畫相似的投資是不可能的。 他選擇了由太空梭照料的空間基地作為長期目標， 但在太空梭發展之前推遲航太站的發展， 因此， 可重複使用的太空梭， 這個早期被認為僅僅是一項廣泛多目標的空間計畫中的運輸工具便成了焦點。
第一級是一個龐大的、有翼的、以火箭為動力的飛行器， 它將攜帶較小的第二級
初期的太空梭計畫在它成為一種系統存在之前，
在1970年以前設想為航太站渡船的第二級飛行器， 比後來的太空梭軌道器大得多。 在體內裝有火箭推進劑的這個飛行器， 有一個足可以供12個航太站的人員乘座的相當大的太空人艙和一個可以容納航太站艙體的大貨艙。
兩級完全可以重複使用的設計， 從“經常地、經濟地進入太空”方面來說， 這是最佳的太空梭。 這些吸引人的詞句正在成為發展地球到軌道系統的基本準則。 然而， 從所需的研製投資來看卻是欠佳的；估計需100—130億美元， 這個數位在國會和預算與管理局遭到了冷遇。
美國設想的超大號太空梭設計模型
1971年， NASA不得不重新設計太空梭， 因為他們意識到， 發展太空梭能否獲得批准的決定因素， 很可能不是系統能力， 而是研製費用問題。 政府和工業界的研究專案是研究結構上的研製經濟性問題。 省去軌道器內部的燃料箱， 用一個可投放的外掛箱裝推進劑的方案被採納。
航宇局探討了許多可能的發射系統。 一種是帶翼的、無人駕駛的可回收式液體燃料飛行器， 這是以阿波羅計畫中最成功的土星5運載火箭為基礎的。 縱然液體火箭可能使用費用較低， 然而， 可回收的固體火箭助推器卻獲得了贊同。 壓倒一切的理由是根據估價結果表明固體助推器的發展費用較低。
從這番設計中得出的決定為：太空梭是一個由三個基本部件組成的系統， 這三個部件是：軌道器、一個為軌道器發動機攜帶液體推進劑的不回收的外掛燃料箱和兩個可回收的固體火箭助推器。 1972年初， 航宇局估計， 研製和試驗一個由五個軌道器組成的太空梭系統將花費62億美元，
後來的太空梭已經是縮水版了
直到1972年3月， 太空梭的結構才確定。 太空梭軌道器大小如同一架中型運輸機， 具有同飛機相象的結構：用桁條加強的鋁合金蒙皮， 在框架上構成一個外殼以及多個鋁或鋁合金制的隔板， 軌道器的主要結構段有前部機身， 其中有乘員的増壓艙；中部機身， 內有有效載荷艙；有效載荷艙門；後部機身， 從這裡伸出主發動機噴管；垂直尾翼， 尾翼沿後緣分開， 為再入及著陸期間提供氣動減速裝置。
乘員艙分上下兩層——上層是駕駛艙，下層是中部艙。除了工作空間外，乘員艙內有一些為提供一個適於居住的環境（大氣、溫度、食物、水、乘員睡眠和廢物管理）所必需的系統。還裝有電子、制導及導航系統。
軌道器乘員通常限制在7個人，但可以多至8人。乘員由指令長，即太空梭的機長、駕駛員任副指令長及兩個以上的任務專家組成。還可容納一名或一名以上的有效載荷方面的專家。一位任務專家協調軌道器和乘員的各項活動以保障給定的有效載荷任務。有效載荷專家可以管理特定的實驗。指令長、駕駛員和任務專家都是航宇局為此任務指派的職業太空人。有效載荷專家不是來自太空人局，他們是由有效載荷發起者在同航宇局協商之後確定的。
有效載荷艙裡攜帶的貨物多達24噸。軌道器頂部的蛤殼式門沿軌道器脊骨方向閉合，以便蓋住寬15英尺、長60英尺的貨艙。有效載荷艙用於安全可靠地存放大量物品。這些物品可以是：計畫從軌道上發射的一顆或幾顆通信衛星、一個在空間進行實驗的自主式空間實驗室，或是配置在特製貨盤上的貨物。為了在軌道飛行期間裝卸貨物，有效載荷艙有一個從乘員艙內進行控制的50英尺長的機械臂。在機械臂的末端安裝一台電視攝像機和幾盞燈，使操作人員可以看清這只“手”在做什麼。如同把貨物送上軌道一樣重要的，是回收衛星並將其帶回地球，例如，需要重新整修時收回衛星。軌道器可從空間帶回16噸貨物。
可重複使用的太空梭的實際可行性取決於一項特別重要的要求，即：保護軌道器在返回地球時，免遭由大氣摩擦而產生灼熱的破壞。再入期間，機翼前緣的溫度可高達1510度，機身上部“最冷”區域的溫度亦有315度。上升或再入過程中為軌道器設計的熱防護系統必須使鋁制蒙皮的溫度不至升高170攝氏度以上。
軌道器有四種外用絕熱材料，根據結構的各個部位可能經受的溫度而分別採用。軌道器的頭錐罩和機翼前緣系採用由數層碳基體石墨布組成的全碳複合材料進行防護。外面幾層通過化學作用被轉化成碳化矽，這種材料長期以來被用作砂輪上的研磨材料。經受溫度僅次於最高溫的區域，採用約6英寸見方的高溫陶瓷瓦遮護。瓦的厚度從1英寸到5英寸不等，視防護需要而定。所謂“低溫瓦”，採用同樣的材料，接近純玻璃，這種材料體積的90%是空氣，用於無需太多防護的地區。（低溫是相對的，這樣設計的瓦可經受640度的溫度）在每個軌道器上裝有30000塊各不相同的瓦。
乘員艙分上下兩層——上層是駕駛艙，下層是中部艙。除了工作空間外，乘員艙內有一些為提供一個適於居住的環境（大氣、溫度、食物、水、乘員睡眠和廢物管理）所必需的系統。還裝有電子、制導及導航系統。
軌道器乘員通常限制在7個人，但可以多至8人。乘員由指令長，即太空梭的機長、駕駛員任副指令長及兩個以上的任務專家組成。還可容納一名或一名以上的有效載荷方面的專家。一位任務專家協調軌道器和乘員的各項活動以保障給定的有效載荷任務。有效載荷專家可以管理特定的實驗。指令長、駕駛員和任務專家都是航宇局為此任務指派的職業太空人。有效載荷專家不是來自太空人局，他們是由有效載荷發起者在同航宇局協商之後確定的。
有效載荷艙裡攜帶的貨物多達24噸。軌道器頂部的蛤殼式門沿軌道器脊骨方向閉合，以便蓋住寬15英尺、長60英尺的貨艙。有效載荷艙用於安全可靠地存放大量物品。這些物品可以是：計畫從軌道上發射的一顆或幾顆通信衛星、一個在空間進行實驗的自主式空間實驗室，或是配置在特製貨盤上的貨物。為了在軌道飛行期間裝卸貨物，有效載荷艙有一個從乘員艙內進行控制的50英尺長的機械臂。在機械臂的末端安裝一台電視攝像機和幾盞燈，使操作人員可以看清這只“手”在做什麼。如同把貨物送上軌道一樣重要的，是回收衛星並將其帶回地球，例如，需要重新整修時收回衛星。軌道器可從空間帶回16噸貨物。
可重複使用的太空梭的實際可行性取決於一項特別重要的要求，即：保護軌道器在返回地球時，免遭由大氣摩擦而產生灼熱的破壞。再入期間，機翼前緣的溫度可高達1510度，機身上部“最冷”區域的溫度亦有315度。上升或再入過程中為軌道器設計的熱防護系統必須使鋁制蒙皮的溫度不至升高170攝氏度以上。
軌道器有四種外用絕熱材料，根據結構的各個部位可能經受的溫度而分別採用。軌道器的頭錐罩和機翼前緣系採用由數層碳基體石墨布組成的全碳複合材料進行防護。外面幾層通過化學作用被轉化成碳化矽，這種材料長期以來被用作砂輪上的研磨材料。經受溫度僅次於最高溫的區域，採用約6英寸見方的高溫陶瓷瓦遮護。瓦的厚度從1英寸到5英寸不等，視防護需要而定。所謂“低溫瓦”，採用同樣的材料，接近純玻璃，這種材料體積的90%是空氣，用於無需太多防護的地區。（低溫是相對的，這樣設計的瓦可經受640度的溫度）在每個軌道器上裝有30000塊各不相同的瓦。