Trạm quỹ đạo giống như là một máy bay với hai cánh delta, quét một góc 81° ở rìa cánh trong và 45° ở rìa ngoài cùng của cánh. Cánh ổn định thẳng đứng có cạnh ngoài cùng quét một góc 45° về phía sau. Có bốn cánh tà, gắn vào rìa ngoài cùng của hai cánh, một thắng cản, gắn vào rìa của cánh ổn định, với các cánh thân, điều khiển trạm quỹ đạo trong quá trình hạ cánh và đáp xuống.

Khoang chứa phi hành đoàn của trạm quỹ đạo bao gồm 3 tầng: tầng bay, tầng giữa và tầng sử dụng tiện ích. Tầng trên cùng là tầng điều khiển bay với những chỗ ngồi cho chỉ huy trưởng, phi công, hai chuyên gia của chuyến bay ngồi đằng sau. Tầng giữa, ở phía dưới tầng bay, có thêm 3 chỗ ngồi cho các thành viên còn lại của phi hành đoàn. Bếp, phòng vệ sinh, chỗ ngủ, tủ chứa quần áo và cửa sập bên hông cho việc vào ra tàu cũng ở tầng này, cũng như là cửa với khóa không khí (airlock). Khóa không khí cũng có thêm một cửa vào khoang chứa hàng hóa. Nó cho phép hai phi hành gia, mang bộ áo phi hành với đơn vị di động ngoài không gian (Extravehicular Mobility Unit - EMU), giảm áp suất trước khi bước ra không gian.

Trạm quỹ đạo có một khoang chứa hàng hóa, kích thước 60 ft × 15 ft (18 m × 4,6 m) chiếm hầu hết phần thân. Các cửa vào khoang hàng hóa có bộ tỏa nhiệt ở các bề mặt bên trong, và được mở cho việc điều khiển nhiệt độ khi tàu con thoi đang ở trên quỹ đạo. Điều khiển nhiệt độ bằng cách định hướng tàu tương đối so với Trái Đất và Mặt Trời. Bên trong khoang chứa hàng là hệ thống cần cẩu điều khiển từ xa, cũng được biết đến như là Canadarm, một cánh tay máy được sử dụng để vận chuyển và đưa các thiết bị ra không gian.

Ba động cơ chính của tàu con thoi (Space Shuttle Main Engines - SSME) được gắn vào đuôi của trạm quỹ đạo dưới dạng tam giác. Ba động cơ này có thể nghiêng lên 10,5 độ và nghiêng xuống 8,5 độ từ bên này sang bên kia trong quá trình phóng để thay đổi hướng đẩy của chúng và lái tàu con thoi trong lúc đẩy.

Hệ thống điều khiển quỹ đạo (Orbital Maneuvering System - OMS) cung cấp các điều khiển trên quỹ đạo, bao gồm vào quỹ đạo, kết nối, bay vòng quanh, chuyển đổi, gặp gỡ, rời bỏ quỹ đạo.

Hệ thống điều khiển các phản ứng (Reaction Control System - RCS) cung cấp các điều khiển về độ cao và chuyển dịch theo 3 trục theo độ dốc, cuốn, trệch trong các giai đoạn bay vào quỹ đạo, vòng quanh quỹ đạo, và tái nhậpkhí quyển.

Hệ thống bảo vệ nhiệt độ (Thermal Protection System - TPS) bao phủ bên ngoài trạm quỹ đạo, bảo vệ nó từ độ lạnh cóng -121 °C (-250 °F) trong không gian đến 1649 °C (3000 °F), nhiệt độ lúc vào lại khí quyển.

Cấu trúc của trạm quỹ đạo chủ yếu được làm từ hợp kim nhôm mặc dù cấu trúc động cơ đẩy được làm từ hợp kim titani.

Bình nhiên liệu chứa ngoài (External Tank - ET) cung cấp 2,025 triệu lít (535.000 gallon) hiđrô lỏng và ôxy lỏng để làm nhiên liệu cho động cơ chính của tàu con thoi (SSME). Nó được bỏ đi 8,5 phút sau khi phóng lên ở độ cao khoảng 60 nautical miles (111 km), rồi bị đốt cháy khi vào lại khí quyển. Bình chứa dày 1/8 inch chủ yếu làm bằng hợp kim nhôm-lithi.

Hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn (Solid Rocket Boosters - SRB) cung cấp khoảng 83% sức đẩy của tàu vào lúc phóng và giai đoạn 1 của quá trình phóng. Chúng được vứt bỏ 2 phút sau khi phóng tại độ cao vào khoảng 150.000 feet (45,7 km), rồi bung dù và hạ xuống trên đại dương để được thu nhặt lại. Vỏ của tên lửa SRB làm bằng thép dày khoảng 1/2 inch (1,27 cm).

Tàu con thoi là một trong những phi thuyền đầu tiên sử dụng hệ thống điều khiển bay tự động bằng máy tính fly-by-wire. Điều này có nghĩa là không có một kết nối cơ học hay thủy lực nào giữa cần điều khiển của phi công đến bề mặt điều khiển hay hệ thống điều khiển phản ứng của các động cơ đẩy.

Vào năm 1990 những máy tính nguyên thủy được thay thế với một kiểu nâng cao AP-101S, với dung lượng khoảng 1 megabyte và tốc độ 1,2 MHz. Bộ nhớ được thay từ các vòng từ tính sang bán dẫn với pin dự phòng.