Pesawat ulang alik - tidak seperti pesawat luar angkasa lainnya - badan utama pesawat ulang-alik dapat digunakan kembali di lain waktu. Pesawat jenis ini hanya dimiliki oleh NASA, badan antariksa Amerika, dalam beberapa jenis. Sempat dibuat 5 buah, di mana sekarang tinggal tiga. Modul pesawat ulang alik terbang secara vertikal dan biasanya membawa tiga sampai lima astronot (walaupun pernah mengangkut 8 astronot dan masih cukup sampai 11 astronot dalam keadaan darurat) dan muatan sampai seberat 50.000 lb, 22.700 kg menuju orbit rendah bumi (thermosfer).
Ketika misi selesai pesawat akan menyalakan pendorongnya sendiri untuk kembali menuju atmosfer bumi, pendorong akan dimatikan ketika pesawat sudah di dalam atmosfer bumi dan pesawat akan melayang selama perjalannya sampai akhirnya mencapai permukaan lagi.
Pesawat ulang-alik NASA merupakan pesawat luar angkasa pertama yang dirancang agar dapat dipakai kembali sebagian. Pesawat ini bertugas untuk membawa berbagai muatan (biasanya satelit) ke berbagai orbit bumi (biasanya orbit rendah, perlu perlakuan khusus untuk orbit yang lebih tinggi), penggantian awak ISS, Stasiun Luar Angkasa Internasional, dan untuk misi servis.
Terkadang pesawat ini juga dapat mengambil kembali satelit untuk dikembalikan ke bumi. Bekerjasama dengan Soyuz, pesawat luar angkasa milik Rusia, kedua pesawat bahu membahu membangun ISS. Kedua pesawat dirancang agar dapat bekerja sekitar 10 tahun atau setara dengan sekitar 100 peluncuran.
Enterprise adalah pesawat ulang-alik yang pertama, yang sebenarnya merupakan wahana uji terbang. Pesawat berikutnya adalah Columbia, Challenger, Discovery dan Atlantis. Challenger telah hancur ketika proses peluncuran pada tahun 1986, dan akhirnya dibuat Endeavour sebagai penggantinya.
Sedangkan Columbia hancur ketika proses memasuki atmosfer bumi pada tahun 2003. NASA telah mengumumkan untuk memberhentikan armada pesawat luar angkasanya pada tahun 2010 dan akan menggantinya dengan Orion, pesawat baru yang dirancang dapat mengangkut manusia menuju bulan dan bahkan objek angkasa yang lebih jauh lagi.
Sepanjang sejarah, Columbia telah melakukan 28 penerbangan, menghabiskan masa selama 300,74 hari di luar angkasa, menyelesaikan 4.808 orbit, dan terbang sejauh 201.497.772 km sebelum akhirnya meledak di udara tanggal 1 Februari 2003 dalam perjalanan pulang setelah melakukan misi orbitnya. Pada tahun 1992 pesawat Ulang Alik Endeavour menggantikan pesawat Columbia. Sedangkan Hingga Juli 2005, pesawat Discovery telah mengadakan 31 penerbangan, menghabiskan 241,95 hari di angkasa, menyelesaikan 3.808 orbit dan terbang sejauh 158.859.429 km.
Pada tanggal 28 januari 1986 pesawat Challenger meledak 73 detik setelah lepas landas di stasiun peluncuran pesawat Ulang Alik di Cape Canaveral, Florida, USA dan menewaskan ketujuh awak termasuk ibu Guru Christa McAuliffe.
Bagian-bagian pesawat Ulang Alik / Orbiter dan fungsinya.
1. Lambung depan, berfungsi sebagai kabin awak dan peralatan kendali pesawat.
2. Lambung tengah, berfungsi sebagai ruang barang dan ruang roda pendaratan.
3. Lambung belakang, berfungsi penopang tiga mesin utama pesawat dan terdapat sirip di bawah mesin untuk mengubah sudut penerbangan
4. Sayap, berfungsi sebagai kendali manuver pesawat, baik pada saat terbang maupun mendarat
5. Ekor berfungsi sebagai sirip/daun kemudi pesawat
Pesawat Orbiter bersayap Delta dengan mesin pengorbit
1. Pesawat Orbiter bersayap Delta dengan mesin pengorbit
2. Tangki bahan bakar luar (External Tank/ Drop Tank)
3. Roket pendorong berbahan bakar padat (twin solid r ockets)
Tahap peluncuran pesawat Ulang Alik
1. Mesin pendorong utama berbahan bakar cair dan roket pendorong berbahan bakar padat menyala secara bersamaan, sehingga membangitkan 31 juta newton tenaga untuk lepas landas
2. Sesudah beberapa menit (± 2 menit) ketika bahan bakar pada roket pendorong habis terbakar dan telah mencapai kecepatan lebih dari 4800 Km/jam, roket pendorong dilepas dari pesawat dan jatuh ke dalam samudra dengan parasut untuk diisi dan gunakan kembali, sedangkan tangki bahan bakar eksternal dilepas ketika akan memasuki lapisan Atmospir.
3. Sesudah pesawat melewati lapisan Atmospir, pesawat Ulang Alik menuju Orbitnya.
4. Sesudah misi selesai maka pesawat kembali ke bumi dan terbang layaknya pesawat supersonik.
