在对地观测方面，国际空间站比遥感卫星要优越。首先它是有人参与到遥感任务之中，因而当地球上发生地震、海啸或火山喷发等事件时，在站上的航天员可以及时调整遥感器的各种参数，以获得最佳观测效果；当遥感器等仪器设备发生故障时，又可随时维修到正常工作状态；它还可以通过航天飞机或飞船更换遥感仪器设备，使新技术及时得到应用而又节省经费。用它对地球大气质量进行监测，可长期预报气候变化。在陆地资源开发，海洋资源利用等方面，也都会从中受益。国际空间站在天文观测上要比其他航天器优越得多，是了解宇宙天体位置、分布、运动结构、物理状态、化学组成及其演变规律的重要手段。因为有人参于观测，再加上空间站在太空的活动位置和多方向性，以及机动的观察测定方法，因而可充分发挥仪器设备的作用。通过国际空间站，天文学家不仅能获得宇宙射线，亚原子粒子等重要信息，了解宇宙奥秘，而且还能对影响地球环境的天文事件（如太阳耀斑、暗条爆发等）作出快速反应，及时保护地球，保护在太空飞行的航天器及其成员。
国际空间站上的生命科学研究，可分为人体生命与重力生物学两方面：人体生命科学的研究成果可直接促进航天医学的发展，例如，通过多种参数来判断重力对航天员身体的影响，提高对人的大脑、神经和骨骼及肌肉等方面的研究水平。重力生物学和材料科学的研究与应用有广阔的前景，而国际空间站的微重力条件要比和平号空间站和航天飞机优越得多，特别是在材料发展上可能起到一次革命性的进展。
仅就太空微重力这一特殊因素来说，国际空间站就能给研究生命科学、生物技术、航天医学、材料科学、流体物理、燃烧科学等提供比地球上好得多、甚至在地球无法提供的优越条件，直接促进这些科学的进步。同时，国际空间站的建成和应用，也是向着建造太空工厂、太空发电站，进行太空旅游，建立永久性居住区（太空城堡），向太空其他星球移民等载人航天的远期目标接近了一步。
航天飞机
航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器，它以火箭发动机为动力发射到太空，能在轨道上运行，且可以往返于地球表面和近地轨道之间，可部分重复使用的航天器。它由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。固体燃料助推火箭共两枚，发射时它们与轨道器的三台主发动机同时点火，当航天飞机上升到50千米高空时，两枚助推火箭停止工作并与轨道器分离，回收后经过修理可重复使用20次。外储箱是个巨大壳体，内装供轨道器主发动机用的推进剂，在航天飞机进入地球轨道之前主发动机熄火，外储箱与轨道器分离，进入大气层烧毁，外储箱是航天飞机组件中唯一不能回收的部分。航天飞机的轨道器是载人的部分，有宽大的机舱，并根据航天任务的需要分成若干个“房间”。有一个大的货舱，可容纳大型设备。轨道器中可乘载3名职业航天员（如指令长或机长、驾驶员、任务专家等）和4名其他乘员（非职业性航天员）。其舱内大气为氮氧混合气体。航天飞机在太空轨道完成飞行任务后，轨道器下降返航，像一架滑翔机那样在预定跑道上水平着陆。轨道器可重复使用100次。
1981年4月12日美国研制的第一架航天飞机哥伦比亚号成功进入太空。这一天也正是20年前（1961年4月12日）苏联航天员加加林乘东方号飞船代表人类首次进入太空的日子，美国航天飞机首航的乘务组由50岁的驾驶员约翰和43岁的罗伯特组成。他们在近地轨道飞行了54小时30分钟，绕地球36圈，考验了航天飞机各个系统的性能，然后返回地面。值得一提的是在美国航天飞机研制过程中，解决了一个重大的技术问题，那就是轨道器的机身覆盖有三万块高耐热性的防热瓷砖，它保证了轨道器在返回大气层飞行中不被高热烧坏。哥伦比亚号航天飞机首航成功后，美国也像苏联对其航天员首次进入太空那样进行宣传，说它是一个新的航天技术性突破，是人类向宇宙进军、实现太空工业化的一个实际步骤。突破首航之后，美国又相继研制了4架航天飞机。其名称分别为挑战者号、发现号、阿特兰蒂斯号和奋进号，其中挑战者号航天飞机在1986年1月28日升空后炸毁，哥伦比亚号航天飞机在2003年2月1日结束太空任务后着陆前飞机解体坠毁。前苏联也曾研制过航天飞机，于1991年发射一架叫暴风雪号的航天飞机，进行了未载人的太空试飞，后由于经费困难和国内政局动荡至今未进行第二次飞行。
航天飞机除可在天地间运载人员和货物之外，凭着它本身的容积大、可多人乘载和有效载荷量大的特点，还能在太空进行大量的科学实验和空间研究工作。它可以把人造卫星从地面带到太空去释放，或把在太空失效的或毁坏的无人航天器，如低轨道卫星等人造天体修好，再投入使用，甚至可以把欧空局研制的“空间实验室”装进舱内，进行各项科研工作。
哥伦比亚号航天飞机在其前4次飞行中主要考验飞机的性能和人在太空的生活情况，到第5次发射时（1982年11月）就向太空的地球同步轨道发射了两颗通信卫星。这架航天飞机在1983年11月28日发射时，把欧空局研制的“空间实验室”首次带入太空，进行了多项科学实验。2003年2月1日,哥伦比亚号航天飞机在结束太空任务后返回地球，但在着陆前发生意外，航天飞机解体坠毁。
美国第二架航天飞机挑战者号是1983年4月首次发射的，并与哥伦比亚号交错时间先后飞行。它在太空共飞行10次，前9次成功，最后1次爆炸失败。在其9次飞行中，它在太空创造了几个第一：第一次把美国女航天员送入太空；第一次在太空进行首次机动飞行，即航天员身背“载人机动装置”离开轨道器“自由”飞行；创造最多乘载8人的飞行记录，并首次把美籍华人王赣骏载入太空；首次安装机械臂把一颗卫星从货舱中取出放入太空，然后再回收回来。此外，这架飞机还二次把欧空局研制的“空间实验室”带上太空作多项科学实验。它还多次在飞机上释放卫星和回收卫星。第三架航天飞机发现号1984年4月首次升空就发射了三颗商业通信卫星；它还在货舱中展开一个折叠式太阳能电池板，并进行了航天电泳制药试验。在以后的几次飞行中它继续发射卫星，有一次它发射了4颗卫星，还在轨回收了失效卫星，修好后又重新送入太空。美国第四架航天飞机阿特兰蒂斯号发射后，除发射间谍卫星和普通卫星外，还在太空进行组装空间站试验活动。美国第五架航天飞机奋进号是挑战者号空中爆炸后研制的，它的首发时间是1992年5月7日。这架飞机在设计指标上有所改进，它可在太空飞行28天，在着陆时采用巨大的降落伞减速，从而缩短了机场跑道长度。在机舱内还设有先进的抽水马桶和空调设备。在太空除继续释放卫星和回收卫星外，该机还在太空进行组建空间站和维修工作，如把价值连城的“哈勃”望远镜修复，使之继续进行工作。在2000年的一次飞行中，美国用奋进号上的雷达采集了地球信息，绘制出迄今为止最为精确的三维地貌图，据说它比现有的地图精确30倍。
我国的神舟系列载人飞船
从1992年开始，经过七年的论证、攻关、研制和试验，中国第一艘试验飞船神舟一号于1999年11月20日发射升空，飞船在轨正常运行一天后，安全着陆于内蒙古预定区域，中国载人航天首次无人飞行试验取得圆满成功。
2000年至2003年，在先后经过神舟二号、神舟三号和神舟四号共三次无人飞行试验的考验后，中国第一艘载人飞船-神舟五号于2003年10月15日成功发射，在轨运行1天后，于2003年10月16日安全着陆。航天员杨利伟健康地走出返回舱，标志着中国首次载人航天飞行试验获得圆满成功，成为世界上第三个掌握了载人航天技术的国家。