航天飛機的發展可以追溯到早期的科學幻想和20世紀初火箭先驅者們的宏偉計劃。1981年8月12日，美國“哥倫比亞”號航天飛機首航成功，極大地鼓舞了人們開發宇宙、利用宇宙的信心。隨後，航天飛機得到了快速的發展，人類開發宇宙的夢想正逐步變成現實。
1.“戴納—索爾”的努力
第二次世界大戰後，火箭技術的突破為航天飛機的研製提供了可能。1947年10月14日，美國貝爾飛機公司研製的貝爾X-1飛機，飛行速度達到了1.06馬赫。它不僅有普通飛機的駕駛設備，而且裝有火箭控製裝置，因此，能在極高的稀薄空氣中操縱自如。隨後，這種以火箭作動力的研究性飛機又產生了幾種改進型。
1951年，美國貝爾飛機公司又製訂了一個發展可重複使用的空間飛機的方案，這個被稱為貝爾·波米的飛行器共分為兩部分：第一部分是帶翼的助推器，裝有5台大型火箭發動機；第二部分體積不大，有3台火箭發動機。在空中，這架笨重的火箭飛機兩部分分離，帶翼助推器滑翔返回基地，第二部分則依靠本身貯箱中的推進劑繼續飛行。
1959年11月，美國波音公司與空軍簽訂了研製一種載人空間滑翔機的合同。這是一種三角翼滑翔機，即有人駕駛的火箭助推滑翔飛機。它既有大氣層中使用的普通氣動控製裝置，也有空間飛行用的噴氣發動機，稱作“戴納—索爾”。這種飛機在大氣層邊緣靠空氣反彈飛行，可以繞地球飛行幾圈。考慮到它再入大氣層時要禁受極嚴酷的氣動加熱環境，因此，它的殼體將采用超級耐高溫合金、陶瓷和石墨材料。以後，美國又準備使“戴納—索爾”具備航天飛機的能力。
“戴納—索爾”的代號改成了X-20，貝爾公司準備在1965年進行空中分離試驗。為了使它進入預定的空間航道，它將被裝在大力神-3C火箭的頭錐上發射，但由於成本逐漸上升，“戴納—索爾”的重量問題難以解決。1963年12月10日，剛剛開始組裝的“戴納—索爾”被斷然取消了，它的成果和設備轉用於“雙子星座”計劃。
與此同時，60年代的X-15計劃也正在執行之中，該計劃也研究航天飛機同樣所遇到的難題。1959年，第一架X-15飛機開始了探索性飛行，它從一架改型的B-52轟炸機上脫落起飛。試驗中，飛機在空氣稀薄的高空飛行，在那裏，氣動麵已完全不起作用，因此，駕駛員左手持操縱杆，利用飛機頭部的火箭推進器控製俯仰和偏航，利用機翼中的推進器控製滾動，飛機的航速超過了6倍音速。
1962年7月，羅伯特·M·懷特駕駛X-15飛機升到了103269米的高空，創造了新紀錄。10月，X-15帶2個外掛燃料箱，時速達到了7272公裏。但是，X-15計劃隨後也遭到了挫折，在同年的11月15日，美國空軍少校丁·亞當斯在他的第7次飛行中，在側滑時可能看錯了滾動指示器的讀數，致使飛機再入大氣層時偏離航向而造成不穩定和失速，在18288米的高空，飛機終於碎裂，他本人也不幸喪生。
當“戴納—索爾”計劃正在執行的同時，還有一種新一代的小型試驗飛行器在蘭利研究中心通過了高超音速風洞試驗。這種外形短粗的飛行器被稱作升力飛行器。第一架升力飛行器是M2-F1，它看上去是圓筒狀，外麵貼有膠合板，隻能用來在低速條件下試驗。
1963年3月，M2-F1第一次試飛，它由一輛卡車牽引著，在愛德華空軍基地的幹涸湖床上飛駛，達到了飛行速度，但由於擺動劇烈，因而隻飛行了極短的時間。4月，第二次試飛，它順利升空，航速達到了每小時195公裏。這種小型的M2-F1飛行器共進行了90次試飛，基本上獲得了成功。1964年，M2-F2和HL-10兩種重型試驗機開始製造。
這兩種飛行器同X-15一樣，都是在13.7萬米的高空中，從一架航速為每小時720公裏的改進型B-52轟炸機上發射的。1966年3月，一架不帶發動機的M2-F2固定在B-52轟炸機的機翼下，開始了首次不分離的試飛。4個月後，它在1370米的高空第一次與母機分離，以每小時320公裏的滑翔速度在幹涸的湖床上著陸。
1967年5月，M2-F2飛行器由於遇到了輕微的側向風，曾禁受了一次最嚴重的考驗，它在最後將要對準跑道飛行時，突然發生了嚴重的“橫滾”，駕駛員奮力操縱，雖然使飛行器恢複了控製，但此時卻已偏離了航向。由於看不到跑道的標誌，因而駕駛員不能判斷自己的飛行高度，而發送無線電信號的跟蹤飛機也與他的相對位置發生了變化，擔任營救的直升機則因為離得太近而來不及提供援助。
情況變得更加不妙！由於高度不明，又來不及飛回正確的航向，駕駛員不得不開始緊急著陸。拉平動作剛完成，起落架已伸出一半兒的M2-F2就重重地撞在了湖床上，彈出了25米遠，接著，又一次重重地撞在地麵上。它翻倒在地上，主起落架、駕駛艙、艙蓋和右艙都被撞毀脫落，駕駛員也身負重傷，幸而沒有生命危險。
相比之下，HL-10火箭推進飛行器則取得了成功。1970年8月，它的飛行高度達到了23000米，時速達到了1630公裏。
X-24是貝爾公司X係列火箭推進試驗飛機中最後的一種，它最初的形狀像個圓形的楔子，上部呈拱狀，底部平坦，尾部有斜角，後來進行了改進。X-24試驗計劃的最終目的是要用普通的飛機跑道進行降落，而不是用寬廣的幹湖床。X-24的試飛相當成功，它著陸時隻偏離預定的著陸點1.5米。
對航天飛機感興趣的不隻是美國一家，歐洲一些國家同樣也設想了許多航天飛機方案。英國皇家飛機研究中心、布列斯托爾·西德利公司和羅爾斯·羅伊斯公司都有許多詳細的研究報告，它們研究了利用噴氣發動機飛行返回基地的可重複使用助推器的發展前景。但是，歐洲各國的航天飛機設想最終一個也沒有被采納或研製。
隻有美國，對航天飛機表示出極大的興趣，並付諸實踐。
1968年8月，美國宇航局負責載人航天的助理局長喬治·米勒，出席了在英國召開的行星際協會的會議。會上，他向報界透露，美國宇航局對製造航天飛機懷有濃厚的興趣，他說：“我想預先告訴諸位，航天活動的下一次衝刺，是要研製一種經濟的、能在地球和空間運行的設施之間往返飛行的運載器。”
2.航天飛機橫空出世
1969年初，美國著手研究空間發展計劃的各種可能性。2月，以副總統阿格紐為首成立了一個“空間任務小組”，製訂了一個“阿波羅”計劃完成以後的協調的空間計劃。9月，該小組提出了一份報告，建議發展可重複使用的航天飛機係統：“……發展空間運轉的新技術係統，首先需要通過一項發展新型空間運輸能力的計劃……”10月16日，在華盛頓召開的航天飛機會議上，宣布投資80億美元，正式開展航天飛機具體方案的研製工作，預計在20年內收回成本。這從根本上改變了過去運載火箭研製資金不能回收的狀況。
1970年3月7日，尼克鬆總統發表了關於美國空間探索計劃的聲明，其中說：
“……我們目前正在更加細致地研究可以重複使用的空間往返飛船的可能性……”
1972年1月5日，尼克鬆總統把宇航局的航天計劃提交美國國會，很快，國會通過了這個計劃，航天飛機計劃從此正式實施。
航天飛機的各個部件是分別生產的。1974年6月，洛克韋爾國際公司航天分公司，在加利福尼亞洲莫哈維沙漠的棕櫚穀中開始組裝乘員艙。同年8月，開始組裝機身後段。到1975年，美國各地的有關部件開始不斷地向加利福尼亞的棕櫚穀彙集，被送進空軍的42號車間。
1975年秋季，第一架全尺寸的航天飛機樣機終於在洛克韋爾公司的組裝車間裏完成總裝。這架航天飛機的代號是軌道器—101號，這表明它是軌道器總家族中的老大。當軌道器1976年接近最後定型時，美國立即麵臨怎樣給它命名的問題，航宇局自然想沿襲曆來航天器命名的慣例，起個能表達出愛國熱忱的名稱—“建設”號，但此時，美國著名電視係列片《星際航行》的狂熱觀眾們采取了一致行動，向美國政府施加壓力，要求以《星際航行》中擔任主角的航天飛機—“創業”號來命名。福特總統麵對10萬封熱切的來信，最後同意了他們的要求。
1976年9月17日，正好在航天飛機正式批準繼續研製的4年零9個月後，101號軌道器在一個管樂隊的伴奏下，隨著電視片《星際航行》主題音樂的旋律緩緩駛出，展現在公眾的麵前。這是一架敦實的三角翼式飛機，它的外表似乎不像航天器，至少不像美國電視觀眾們所熟悉的那種航天器，但實際上它確確實實是航天器，而且可能是當時最令人興奮的空間飛行工具——航天飛機。