Máy bay vũ trụ có nhiều công dụng, trong đó phóng và thu hồi vệ tinh là nhiệm vụ quan trọng nhất.
Trong vũ trụ có hàng trăm, thậm chí hàng nghìn vệ tinh nhân tạo luôn phục vụ con người. Nhưng phóng vệ tinh vào vũ trụ không phải là việc dễ, thông thường phải dùng tên lửa vận tải nhiều tầng để phóng lên. Quá trình từ nghiên cứu, thử nghiệm đến thiết kế chế tạo, lắp ráp và phóng lên một tên lửa không những mất nhiều thời gian mà còn tốn sức người, sức của. Một tên lửa vận tải hạng nặng trị giá mấy chục triệu đô la trở lên.
Nhưng điều đáng tiếc là tên lửa vận chuyển chỉ là loại công cụ sử dụng một lần. Vệ tinh sau khi phóng lên quỹ đạo, một bộ phận của nó sẽ biến thành “rác vũ trụ” lưu mãi trên không trung, các bộ phận còn lại rơi vào tầng khí quyển và bốc cháy. Muốn phóng một vệ tinh phải chế tạo một tên lửa, có lúc để bảo hiểm còn phải chế tạo tên lửa dự phòng. Điều đó rất tốn kém. Do đó có lúc những nước lớn cũng không chịu đựng nổi sự tốn kém, cho nên phải tìm con đường thoát.
Sự xuất hiện của máy bay vũ trụ (tàu con thoi) đã mở ra con đường mới cho phóng vệ tinh, vì máy bay vũ trụ có thể mang vệ tinh lên quỹ đạo cách mặt đất 185 – 1100 km. Ở đó hầu như không có trọng lực, cho nên chỉ cần một lực đẩy rất nhỏ so với mặt đất là có thể phóng được vệ tinh. Cộng thêm máy bay vũ trụ còn có sức chở 30 tấn, hoàn toàn có thể chứa các vệ tinh nhỏ trong khoang để phóng vào không trung. Điều đó giống như đưa bệ phóng vệ tinh ở mặt đất lên trên không. Vệ tinh sau khi đưa từ máy bay vũ trụ phóng ra lại được động cơ của vệ tinh đưa lên quỹ đạo đã dự định.
Các nhà khoa học từng tính toán: vì máy bay vũ trụ có thể sử dụng được nhiều lần, cho nên dùng nó để phóng vệ tinh thì chi phí chưa đến một nửa phóng từ mặt đất.
Tương tự, máy bay vũ trụ cũng có thể kéo các vệ tinh ở quỹ đạo thấp bị hư hỏng để sửa chữa. Những vệ tinh giá đắt, có lúc bị hỏng hoặc vì chưa đạt đến quỹ đạo dự định, hoặc sau khi đã hết thời hạn phục vụ mà ngừng làm việc, những vệ tinh vì nguyên nhân nào đó mà bị hỏng một bộ phận nó sẽ lang thang trong vũ trụ rất lãng phí, lúc đó nếu dùng máy bay vũ trụ tiếp cận nó, sửa chữa làm cho nó trở lại làm việc, hoặc đưa nó về mặt đất để sửa chữa thì đó là điều mà tên lửa không thể làm được.
Năm 1984 máy bay vũ trụ “Thách thức” (tàu con thoi Challenger) bay trong không trung lần đầu đã sửa chữa tốt vệ tinh quan trắc Mặt Trời “Năm đỉnh cao của Mặt Trời”, mở ra một con đường về sửa chữa vệ tinh bằng máy bay vũ trụ. Năm 1993 và năm 1997 hai lần máy bay vũ trụ đã sửa chữa kính viễn vọng Hapbơn trong không trung. Vệ tinh thông tin “á châu 1” đầu tiên của Trung Quốc được tên lửa “Trường chinh” phóng lên, vì động cơ cấp cuối bị sự cố nên không bay đến quỹ đạo dự định, phải lang thang trong vũ trụ nửa năm, năm 1984 được máy bay vũ trụ Mỹ kéo từ trong không trung vào vệ tinh thông tin “Sao Tây liên số 6” để sửa chữa.
Máy bay vũ trụ dùng để phóng và thu hồi vệ tinh đã mở ra một thời đại mới trong việc ứng dụng các thiết bị vũ trụ.