מעבורת חלל היא חללית מאוישת וכלי טיס המסוגל להמריא מכדור הארץ לחלל, לשהות בחלל ולנחות חזרה בכדור הארץ. לאחר הנחיתה מתקנים ומתחזקים את המעבורת כדי להכין אותה לשימוש חוזר, כלומר לטיסות נוספות לחלל. מעבורות החלל טסו לחלל במשך שלושים שנה, מ-1981 ועד 2011. המעבורות תוכננו ונבנו כך שיוכלו לטוס שוב ושוב לחלל. כל מעבורת מורכבת משלושה חלקים מרכזיים: גוף המעבורת, מכל דלק נתיק ורקטות האצה.
מעבורת דומה למטוס, ויש לה שלושה מנועים ראשיים המונעים במימן נוזלי וחמצן נוזלי, ועוד כמה מנועים קטנים ששימשו לתיקוני מסלול ולהאטה, לפני הכניסה חזרה לאטמוספירה. מכל הדלק של המעבורת הוא חיצוני, ומתנתק ונופל חזרה לכדור הארץ בזמן יציאת המעבורת לחלל, מעט לפני שהיא נכנסת למסלול. מכל הדלק הנתיק הוא למעשה הרכיב הגדול ביותר במעבורת, ותפקידו העיקרי לספק דלק (מימן נוזלי) ומחמצן (חמצן נוזלי) לשלושת מנועיה הראשיים של המעבורת. רקטות ההאצה של מעבורת החלל הן זוג טילים המונעים בדלק מוצק. הן סייעו בשיגור המעבורת בדקות הראשונות, ובתום פעולתן הופרדו ממנה וצנחו אל האוקיינוס. לאחר שספינות גרר אספו את הרקטות מהים, הן הוכנו לשימוש חוזר. גוף המעבורת הוא החלק היחיד שהגיע למסלול בחלל, ולאחר מכן גם חזר לאטמוספירה וביצע נחיתה על מסלול. מעבורות החלל של ארה"ב שיגרו לחלל אסטרונאוטים, לוויינים וניסויים. הן שימשו גם להעברת צוותים אל תחנת החלל הבינלאומית והיו מרכיב חשוב בבנייתה ובתחזוקה. המעבורות גם אפשרו תיקון של לוויינים בחלל, לרבות של טלסקופ החלל האבל.
בסך הכול נבנו בארה"ב 7 מעבורות חלל. 5 מעבורות יועדו לטיסות בחלל: קולומביה, צ'לנג'ר, דיסקברי, אטלנטיס ואנדוור. שתי מעבורות יועדו לניסויים: אנטרפרייז, ששימשה למבחני דאייה ופאת'פיינדר, שבאמצעותה ערכו בדיקות קרקעיות שונות, כמו תמרונים על הקרקע והובלת המעבורת לעמדת השיגור. המעבורת אנטרפרייז יועדה להסבה למעבורת מבצעית בתום מבחני הדאייה, אך בסופו של דבר הוחלט כי משתלם יותר להסב לכך דווקא את המעבורת צ'אלנג'ר, שנבנתה במקור לבדיקות. אנדוור נבנתה מחלקי חילוף של שאר המעבורות לאחר אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר ב-1986, שבו התפוצצה המעבורת 73 שניות לאחר המראתה, בשל תקלה ברקטת ההאצה. 7 אסטרונאוטים נספו באסון. לאחר האסון ב-2003, שבו התפרקה המעבורת קולומביה באטמוספרה בעת חזרתה מהחלל, האסון שבו נהרג האסטרונאוט הישראלי אילן רמון, לא נבנתה מחליפה. ועדת החקירה שהוקמה לאחר אסון זה הובילה בסופו של דבר להחלטה על הפסקת השימוש במעבורות החלל בשל הסיכונים והעלויות הכספיות האדירות הכרוכות בתכנית; עלות הבנייה והאחזקה של כל מעבורת הסתכמה בכ-2 מיליארד דולר, ועלות כל שיגור הגיעה למאות רבות של מיליוני דולר.