航天飞机的任务，除了完成运载宇航员和科研物质，往返天地间以外，凭着本身宽大的容积，达载多名人员重负荷飞行运送，在太空进行大量的科学实验和空间研究。把人造卫星从地面带到太空释放，或把太空失效毁坏的无人航天器、轨道卫星人造天体进行修复再投入使用，甚至把欧空局空间的实验室装载进舱，进行多项科学研究。根据有关历史记录，可对航天飞机的用途进一步深入了解。
1981年至1993年底，美国共有5架航天飞机进行了79次飞行，哥伦比亚号航天飞行15次，挑战者号10次，发现号17次，亚特兰蒂斯号12次，奋进号25次。每次载宇航员2至8名，飞行时间从2天到14天。在12年中，已有301人次参加航天飞机飞行，其中包括18名女宇航员。航天飞机的59次飞行中，在太空施放卫星50多颗，运载2座空间站到太空轨道，发射3个宇宙探测器，1个空间望远镜和1个γ射线探测器，并进行卫星空间回收和空间修理，开展系列的科学实验活动。
1984年4月6日挑战者号上天，宇航员首次抓获和修理轨道的卫星成功。
1985年1月24日发现号升空，首次执行秘密的军事任务。
1985年11月26日，亚特兰蒂斯载宇航员上天，第一次进行搭载空间站试验。
1988年9月28日，发现号在航天飞机任务中止32个月后升空，5名宇航员释放了一颗卫星，完成了多项科学实验。
1990年4月24日，发现号航天飞机将哈勃太空望远镜送到轨道，设立了观察遥远宇宙的设备。
1992年5月7日奋进号首次飞行，宇航员在太空第一次，手工操作抢救回收卫星成功。
1992年7月31日亚特兰蒂斯号上天，首次进行绳系卫星发电试验。
1995年6月27日，亚特兰蒂斯号发射，实现了航天飞机和俄罗斯的和平号轨道空间站首次对接，美国和俄罗斯宇航员在外太空互相串门交流。
1996年11月19日，哥伦比亚号发射，飞行423小时53分钟，创造了航天飞机停留外太空时间最长的记录。
2009年，美国东部时间5月11日下午2时，美国亚特兰蒂斯号航天飞机，从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，机上7名宇航员对哈勃太空望远镜进行最后一次维护。
2009年7月15日北京时间16日6时3分，美国奋进号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心成功升空，启程前往国际空间站日本舱安装最后一个组件。
2009年8月，美国东部时间28日23时59分北京时间29日11时59分，美国发现号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，搭载7名宇航员前往国际空间站，运送数吨的补给物质和设备。
2010年美国东部时间4月5日早上6点21分北京时间18时21分，美国发现号航天飞机顺利发射升空，携带7名宇航员前往国际空间站。此次除载有4名男性宇航员外，还携带3名女性宇航员，与国际空间站的1名女性宇航员会合，创造了历史上太空女性宇航员人数最多的纪录。
2011年2月24日美国发现号航天飞机，从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站，服役27年的最后一次执行飞行任务。
2011年7月21日美国亚特兰蒂斯号航天飞机，于美国东部时间21日晨5时57分北京时间21日17时57分，在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，完成历史使命的谢幕之旅。
