Trojdielna konštrukcia
Po mnohých technických a politických úvahách a nekonečných diskusiách sa napokon dospelo k záveru, a tým napokon predstava dostala konečnú podobu, že raketoplán sa bude skladať z troch základných častí: z orbitálneho modulu, vonkajšej jednorazovej palivovej nádrže obsahujúcej palivo a okysličovadlo pre hlavné motory orbitálneho modulu (External Tanks, ET) a z dvoch štartovacích stupňov s raketovými motormi na tuhé pohonné látky (Solid Rocket Boosters, SRBs). A hoci všetko napredovalo vcelku úspešne, bol to práve orbitálny modul, ktorý najväčšmi a najhrozivejšie ovplyvňoval časový harmonogram. Išlo najmä o také jeho systémy ako hlavné raketové motory a doštičky obloženia tepelnej ochrany, ktoré narážali na limity vtedajších technologických možností.
Aj keď motory určené pre tuhé palivo štartovacích rakiet (SRB) boli najväčšími, aké sa kedy pre účely vesmírneho letu vyrobili (mali priemer 371 cm), priemysel už vtedy mal solídne skúsenosti s týmto typom pohonných jednotiek. Vývoj a výroba štartovacích motorov vo firme, ktorá dnes nesie názov Thiokol Corporation, prvé štarty raketoplánu do vesmíru nijako nezdržali. Napokon všetko prebiehalo uspokojivo. Štartovacie motory boli dva a každý z nich bol dlhý iba 45,5 m s priemerom 3,7 m. Vážili po 589,67 tony a v nultom okamihu štartu dokázal každý vyvinúť ťah 1387,99 tony.
Technické charakteristiky vonkajšej nádrže boli ešte impozantnejšie. Mala priemer 8,4 metra a dlhá bola 47 metrov. Po naplnení oboch jej komôr kvapalným kyslíkom a kvapalným vodíkom tesne pred štartom bola jej hmotnosť vyše trištvrte milióna kilogramov (760 220 kg). Bola to najväčšia konštrukcia svojho druhu, akú kedy postavili pre raketový program a spoločnosť Martin Marietta Corporation v auguste 1973 vyhrala konkurz na jej vývoj a stavbu, teda na zakázku v hodnote 158 miliónov dolárov. Ukázalo sa , že značná hmotnosť vonkajšej nádrže (ET) bude trvalým problémom, rovnako ako systém jej tepelnej ochrany. A tak si vývoj a výstavba každej z komôr nádrže vyžiadali po dva roky. V roku 1971 sa vytýčil zámer, že náklady na jednu ET a let by nemali prekročiť 1,8 milióna dolárov, no koncom desaťročia sa už táto položka odhadovala na 2,5 milióna. V tom čase už americká kozmická organizácia (NASA) a predovšetkým jej zodpovední odborní pracovníci mali za sebou kontraktačné rokovania s firmou Martin Marietta o vývoji ľahšej palivovej nádrže.
Najväčší objem inovácií si však vyžadoval sám orbitálny stupeň (orbiter). Prvé skutočne univerzálne atmosféricko-kozmické lietadlo, za aké ho pasovala NASA, bolo 37 m dlhé, rozpätie krídiel mal 24 m a pristávaciu hmotnosť takmer 91 ton (90 718 kg). Nákladný priestor s priemerom 4,6 m bol dlhý 18,3 m: modul však napriek pôvodne plánovaným 29 500 kg uniesol iba 22 680 kg užitočnej hmotnosti. Konkurzný súboj jednotlivých amerických firiem o kontrakt na vývoj a výrobu orbitálnej časti raketoplánu - a o finálnu kompletizáciu komponentov celého systému - bol intenzívny, no v júli roku 1972 v NASA spomedzi mnohých uchádzačov vybrali spoločnosť North American Rockwell Corporation (ktorú neskôr premenovali na Rockwell International). Vedno s dodatočnými zmluvami mal tento kontrakt do konca roka 1975 hodnotu 2,7 miliardy dolárov.
Hoci išlo o novú generáciu amerického kozmického dopravného prostriedku, niektoré jeho prvky predsa len v podstate vychádzali zo skúseností predošlých vesmírnych letov. Tri palivové komory mali zabezpečovať elektrickú energiu. Dva raketové motory na (hypergolické) kvapalné palivo (monometylhydrazin a oxid dusičitý) orbitálneho manévrovacieho systému (Orbital Maneuvering System, OMS) umiestnené v kontajneroch po oboch stranách kýlu modulu vyvíjali po 2,722 tony ťahu, boli určené na manévrovanie orbitálneho stupňa a už pri bežnom pohľade sa dalo zistiť, že očividne pochádzajú z programu Apollo, ktorým boli inšpirované. Tieto motory, ktoré mali ťah 26,7 kN, slúžili na dokončenie navádzacieho manévra na obežnú dráhu po oddelení prívesnej externej nádrže, používali sa pri korekciách dráhy a umožnili zostup orbiteru z obežnej dráhy do zemskej atmosféry. V kontajneroch OMS sa ďalej nachádzali dva páry slabších korekčných motorov systému riadenia reakcie (Reaction Control System, RCS), ktorých úlohou bolo kontrolovať polohu modulu na obežnej dráhe i počas prvých fáz návratu na Zem. Boli rozmiestnené po dvanástich kusoch, dve trysky smerovali dozadu, štyri do strán, tri nadol a tri smerom nahor. Ďalších 14 trysiek tohto systému bolo v prednej časti. Bol to primárny pár (po 395 kg ťahu) a jemný, nóniový (po 11 kg ťahu). Ďalším základným systémom konštrukcie boli tri hydraulické čerpadlá, každé poháňané vlastnou pomocnou pohonnou jednotkou (Auxiliary Power Unit, APU) na katalycky rozkladaný hydrazin (výkon každej turbíny bol 100 kW a každé čerpadlo dodávalo 0,24 m3 kvapaliny za minútu), ktoré obstarávali energiu pre servomotory nakláňajúce hlavné motory modulu počas štartu, pre všetky ovládacie prvky motorov, brzdy pristávacieho podvozku a pre riadenie počas návratu a pristátia.
Samozrejme, letecká elektronika (tzv. avionika) použitá v module raketoplánu bola oproti tej, ktorou boli vybavené moduly Apollo, oveľa modernejšia, dokonalejšia a rozvinutejšia. Pilot veliteľského modulu Apollo 11 Michael Collins, svojho času najlepšie píšuci autor spomedzi amerických kozmonautov, označil inštrumentálne vybavenie raketoplánu čo do komplexnosti za ekvivalent azda i štyroch či piatich veliteľských sekcií Apolla. Srdcom systému, ktorý zabezpečoval automatické riadenie letu počas takmer všetkých fáz expedície, bolo päť univerzálnych počítačov. Pritom v každom okamihu bola k dispozícii aj možnosť manuálnej pilotáže - čo však tiež nebola celkom priama metóda ovládania stroja, pretože aj systém ručného riadenia podliehal tomuto zložitému počítačovému systému “letu po drôte”. Avionika na palube orbitálneho modulu raketoplánu pozostávala celkovo z vyše 300 väčších elektronických “čiernych skriniek”, ktoré boli pospájané až 483 km elektrických vodičov.
No hoci orbitálny modul raketoplánu obnášal enormne pokročilú avioniku a ďalšie, menej rozsiahle systémy - ako napríklad v Kanade vyrobené rameno vonkajšieho manipulačného systému (Remote Manipulator System, RMS) na nakladanie a vykladanie užitočného nákladu - tu boli v histórii kozmických lodí s ľudskou posádkou unikátne, boli to práve tri hlavné motory orbitálneho modulu pracujúce pri štarte viac ako osem minút (najskôr súbežne s motormi štartovacej rakety), ktoré si v rokoch vývoja vyžiadali najviac času, premýšľania vôbec všetkého. To isté platí o tepelnej ochrane modulu, ktorá ho chránila pred zhorením pri návrate do atmosféry.