תחנת חלל היא מבנה מלאכותי הנמצא בחלל ומאכלס בני אדם, בעיקר לצורכי מחקר. תחנת החלל היא לוויין, מעין מעבדה משוכללת המקיפה את כדור הארץ. אסטרונאוטים שוהים לעתים במשך חודשים ארוכים בתחנת חלל, וכך הם יכולים לספק תובנות על החיים בחלל, למשל על השפעת תנאי החיים בחלל על גופו ונפשו של האדם. הם גם עורכים בתחנת החלל ניסויים מדעיים וכן מדידות ותצפיות שונות. רוב תחנות החלל הן בסיסים קבועים, שאליהם מגיעות מדי כמה חודשים חלליות הנושאות ציוד, אספקה וכוח אדם. החלליות מתחברות לתחנת החלל כדי שיהיה אפשר לפרוק מהן את מה שדרוש, ולאפשר את חילופי האסטרונאוטים. במקרה הצורך, האסטרונאוטים יוצאים מן התחנה ל"הליכת חלל" – למשל לצורך תיקונים בחלק החיצוני של התחנה, או כדי לחבר בין חלקים שונים של התחנה, ששוגרו לחלל בנפרד. התחנה הפעילה ביותר כיום היא תחנת החלל הבינלאומית, שבה שוהים ועובדים אסטרונאוטים ממדינות שונות.
תחנת חלל מורכבת בדרך כלל מכמה אגפים. באזור אחד נמצאים השירותים והמגורים – תאי השינה של אנשי הצוות, שבהם שק שינה המחובר לקיר, כדי שלא ירחפו בשנתם... באגף אחר נמצא אזור השליטה והפיקוד, הכולל מחשבים ולוחות בקרה, שבאמצעותם אפשר למשל לעזור בעגינת חלליות שמובילות אספקה. אגף נוסף מאכלס את המעבדות שבהם נערכים הניסויים המדעיים. בתחנת החלל יש כמובן גם מטבח, ובו המזונות ארוזים ומקוטלגים, ואזור שבו מאוחסן ציוד נוסף, כמו בגדים, כלי עבודה וחליפות חלל. כמעט כל הציוד והחפצים בתחנת החלל מקובעים לקירות המבנה, כדי שלא ירחפו, לדוגמה בעזרת סקוץ'.
השהייה בחלל בתנאים של מיקרו-גרביטציה, כלומר כשכוח המשיכה מאוד מאוד חלש, משפיעה רבות על גוף האדם. אי לכך האסטרונאוטים בתחנות החלל מקפידים להתעמל באמצעות מכשירי כושר מיוחדים, כדי להתמודד עם חלק מן ההשפעות, כמו ההיחלשות של השרירים והעצמות. חוץ מזה בזמנם הפנוי הם קוראים, צופים בסרטים, מדברים עם בני משפחתם בטלפון, ורובם אוהבים לצפות בכדור הארץ מלמעלה, ולזהות את היבשת או האזור שמעליו הם נמצאים.
תחנת החלל הראשונה הייתה סקיילאב האמריקנית ששוגרה ב-1973. היא פעלה עד 1979, ובזמן זה ביקרו בה שלוש משלחות של אסטרונאוטים שערכו בה ניסויים מדעיים שונים. אחת מתחנות החלל המפורסמות היא התחנה הרוסית מיר, שהייתה פעילה בין 1984 ל-2001. זו הייתה תחנת החלל הראשונה שהייתה מאוכלסת באופן קבוע למשך פרקי זמן ארוכים. ב-2011 שוגרה לחלל התחנה הסינית טיאנגונג, שפירוש שמה הוא "הארמון השמיימי". טיאנגונג, שאינה מאוישת באופן רציף, משמשת בעיקר לבחינה של דרכי עגינה בחלל ולעריכת ניסויים בטכנולוגיות שונות שבהן רוצים הסינים להשתמש בתחנות חלל גדולות ומורכבות יותר, שישוגרו במהלך העשור הקרוב.