航天飞机系统的核心分系统是轨道器，它的大致尺寸为：长度27.21米，翼展23.79米，机高17.39米，空重65吨。为了实现“普通人也能坐航天飞机”的设想，航天飞机在起飞过程中的最大过载限制在3g以下，在返回时的过载限制在1.5g以内。轨道器在轨运行的时间最长达30天。轨道器大致可分为前段、中段和尾段。前段是上下两层的宽敞机舱，上层为驾驶舱，下层为生活间，有效容积为72立方米。中段是有效载荷舱，长18.3米，直径4.6米。舱门分内外两层，由中间对开。舱门内层是辐射冷却器，外侧是防热层。尾段除装有3台主发动机外，还包括控制动力系统和推进剂贮箱。航天飞机轨道器是航天员进入地球轨道和返回时乘坐的舱段，要装备可供7名航天员正常生活和工作的生命保障系统，可装载必要的科学仪器与各类显示仪表。轨道器的分系统异常复杂，这包括23只各种天线、5台计算机，各种控制、通信、导航和操纵系统。在机头的上部和侧部、机尾处，共安装了46台大小推力的变轨与姿态控制发动机。研制轨道器需要解决的问题很多，最棘手的是主发动机和机身表面防热系统。主发动机的技术和性能要求很高，与“土星Ｖ”运载火箭上的J-2发动机相比，它上了一个很高的台阶，其单台最大推力达到210吨，比J-2的100吨增加了一倍多，但这还不是关键所在。这种发动机还要求推力在65～109%之间连续调节以适应航天飞机从发射到入轨整个过程不同阶段的不同要求，而且还要能重复使用100次。它的工作时间长达7.5小时，比J-2发动机提高5倍。主发动机在起飞过程中消耗推进剂数量很大，高性能的涡轮泵每秒向燃烧室内输送207升液氢和75升液氧。这些高性能要求对结构设计、材料选择、推进剂输送、发动机控制以及加工和制造都是极为困难的。
