Подготовка. Подготовка "Шаттла" к полету начинается с ремонта ускорителей и "Орбитера", использовавшихся в предыдущем полете. После спуска на парашютах в Атлантический океан ускорители подбираются двумя спасательными судами и буксируются на мыс Канаверал (шт. Флорида), где осматриваются, подвергаются чистке и разборке. Передняя сборка и юбка перевозятся в космический центр им. Кеннеди (КЦК) и подготавливаются для следующего полета. Корпуса твердотопливных ускорителей возвращают производителю (корпорация "Тиокол" в шт. Юта) для контроля и заливки топлива, а затем перевозят в КЦК.

Если приземление "Орбитера" произошло на военно-воздушной базе Эдвардс или в другом месте из-за плохой погоды или аварийной ситуации, корабль грузится на специально оборудованный самолет "Боинг-747" для доставки его в КЦК. После прибытия в КЦК "Орбитер" помещается в монтажно-испытательный комплекс - специальное здание, где инженеры и техники проверяют все его системы; снимают, ремонтируют и вновь устанавливают двигатели; вынимают старый полезный груз и устанавливают новый.

Полностью вся система собирается в корпусе вертикальной сборки. Сначала устанавливаются ускорители на подвижной пусковой платформе, а затем между ними монтируется топливный блок. После этого "Орбитер" вывозится из монтажно-испытательного комплекса, устанавливается в специальный стапель, поднимается вертикально, аккуратно устанавливается в нужное положение и крепится болтами к топливному блоку. После проведения завершающих проверок вся сборка на пусковой платформе транспортируется на стартовую позицию.

Отсчет времени. Отсчет времени перед стартом начинается приблизительно за трое суток до пуска, когда руководитель полета выпускает "извещение всем постам", предписывающее обслуживающему персоналу занять свои рабочие места. Члены экипажа корабля прибывают в КЦК за двое суток до старта и изучают особенности программы полета и действий в аварийных ситуациях. Стартовая команда начинает заправку топливного блока компонентами в ночь перед стартом. Экипаж просыпается за пять часов до старта (Т ?5 ч) и занимает места в корабле в момент Т ?2. Фактически до старта у них остается больше трех часов, поскольку предстартовый отсчет имеет несколько запланированных перерывов на устранение наземными службами возможных мелких непредвиденных неполадок. Последние десятиминутные остановки запланированы на моменты Т -20 и Т -9 мин.

Когда в момент Т -9 мин начинается последний этап предстартового отсчета, все системы корабля активизируются и выводятся на полную мощность. В момент Т -5 мин наземная система электропитания отключается, и происходит переход на питание от бортовых систем. В момент Т -31 с бортовые компьютеры принимают на себя отсчет времени. В момент Т -9 с топливо начинает поступать в основные двигатели, а в момент Т -6,7 с начинается процесс воспламенения. При достижении 90% расчетной тяги двигатели прижимают "Шаттл" к топливному блоку и толкают его вперед. "Шаттл" изгибается, как огромная плоская пружина; верхушка топливного блока отклоняется почти на метр, а затем возвращается обратно.

Подъем. В момент Т - 0, когда верхушка бака возвращается в первоначальное положение, поступает команда на включение твердотопливных ускорителей и отстрел нижних крепежных болтов, что позволяет "Шаттлу" оторваться от стартового стола. В момент Т +7 с отходит пусковая башня, и ЦУП в космическом центре им. Джонсона берет на себя управление полетом. "Шаттл" поворачивается на небольшой угол, чтобы вектор тяги проходил через центр тяжести системы. В момент Т +60 с топливо в передних сегментах ускорителей выгорает, а тяга основных ЖРД "Шаттла" снижается, чтобы уменьшить нагрузки на конструкцию в период максимального динамического давления. В момент Т +90 с, когда плотность атмосферы и аэродинамическое сопротивление уменьшаются, мощность двигателей снова увеличивается; увеличивается также и тяга ускорителей вследствие увеличения поверхности горения заряда топлива. В момент Т +120 с заряд ускорителей полностью выгорает, они отделяются, на парашютах спускаются в океан, а затем подбираются для повторного использования. Связка "Орбитер" - топливный блок продолжает совместный полет до момента Т +520 с, когда вырабатывается топливо и выключаются основные двигатели.

Через несколько секунд после этого пустой топливный блок отделяется, а "Орбитер" выходит на эллиптическую околоземную орбиту с апогеем 298 км и перигеем 93 км. Из точки перигея возможен сход с орбиты после половины витка, а в точке апогея включаются два двигателя системы орбитального маневрирования на две минуты для выхода на круговую орбиту. После этого космонавты открывают створки грузового отсека, чтобы можно было сбрасывать избыточное тепло из корабля (которое до этого момента отводилось путем испарения воды из водяных баков), и развертывают оборудование, которое будет использоваться в полете.

Возвращение с орбиты. В конце полета после выполнения программы исследований экипаж упаковывает оборудование и закрывает створки грузового отсека. Время возвращения определяется моментом, когда земной след (т.е. проекция траектории на поверхность Земли) "Орбитера" оказывается на расстоянии 800 км от запланированного места приземления. Экипаж (точнее, командир и пилот) начинают возвращение с разворачивания корабля так, чтобы он летел хвостом вперед; при этом вектор тяги двигателей ОМС направлен против направления полета. Находясь примерно над противоположной от места приземления точкой земного шара, экипаж включает двигатели приблизительно на пять минут, тормозя корабль и уменьшая высоту орбиты. Затем экипаж разворачивает корабль носом вперед с большим углом атаки. Таким образом осуществляется торможение корабля при спуске в атмосфере. В плотных слоях атмосферы на несколько минут теряется радиосвязь из-за образования вокруг корабля плазмы, которая отражает радиоволны.

Когда становятся эффективными аэродинамические органы управления (т.е. когда скорость достаточно снизится, а плотность атмосферы возрастет), экипаж опускает нос корабля и выключает двигатели системы ориентации. Приблизительно за 1600 км от места посадки экипаж может совершить несколько S-образных разворотов, чтобы компенсировать отклонение от расчетной скорости. "Шаттл" не летит прямо на посадочную полосу, а пролетает ее и делает крутой спиральный разворот. Обычно только при входе в этот разворот корабль переходит на дозвуковую скорость.

Окончательный заход на посадочную полосу происходит по крутой глиссаде с наклоном 22°. Перед началом посадочной полосы корабль выпускает трехколесное посадочное шасси (носовое и два основных колеса). При этом он увеличивает угол атаки (для улучшения управления), основные колеса касаются посадочной полосы, затем мягко опускается носовое колесо шасси и выпускается хвостовой парашют для торможения корабля. В это время наземная команда со специальным оборудованием проверяет наличие в воздухе паров топлива и токсических веществ. Специальный автомобиль, подъехав к остановившемуся "Орбитеру", забирает летный экипаж, а наземная команда проводит дезактивацию корабля.

Посадочная полоса КЦК является предпочтительным местом посадки, поскольку в этом случае доставка корабля в монтажно-испытательный комплекс осуществляется быстрее и дешевле. Посадочная полоса на высохшем озере Роджерс военно-воздушной базы Эдвардс в пустыне Мохаве (шт. Калифорния) (где проходили почти все летные испытания и посадки во время первых экспериментальных полетов, поскольку там больше места в случае ошибок при посадке) остается в резерве и используется, когда плохая погода не позволяет совершить посадку в КЦК. (Спускаемый аппарат может совершать полеты и во время дождя, однако при высоких скоростях водяные капли вызывают повреждение теплозащитных плиток.) Специально оборудованные аэродромы в Сенегале, Испании, на Гавайях, Окинаве и в других местах могут принять "Орбитер" в случае аварийной ситуации. В экстремальных ситуациях он может приземлиться в любом аэропорту, имеющем посадочную полосу, пригодную для больших реактивных самолетов.