В апреле 1990 года кораблем «Дискавери» (полет STS-31) был доставлен на орбиту телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope), сделавший много удивительных открытий о Вселенной. Именно он стал полигоном для отработки многократного космического ремонта. На шаттлах были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа, что позволило заметно продлить его ресурс. Последняя экспедиция на корабле «Атлантис» состоялась в мае 2009 года.
В 1990-е годы шаттлы принимали участие в российско-американской программе «Мир – НАСА». Программа была принята, когда стало ясно, что Международная космическая станция (МКС), задуманная как проект еще в 1970-е годы, не может быть построена без участия России. В феврале 1993 года корабль «Дискавери» (полет STS-63) подошел к российской станции «Мир» на расстояние 11 метров, а уже 29 июня 1995 года корабль «Атлантис» впервые пристыковался к ней (полет STS-71). Всего было осуществлено девять стыковок шаттлов с орбитальной станцией «Мир».
В ходе эксплуатации корабли «Спейс Шаттл» неоднократно модифицировались, однако 1 февраля 2003 года безжалостный космос нанес новый удар: при возвращении на Землю корабль «Колумбия» разрушился из-за того, что была повреждена теплозащита левого крыла. Все члены экипажа погибли, включая первого космонавта Израиля – Илана Рамона.
Плитки теплозащиты отваливались от обшивки шаттлов и раньше, на это даже перестали обращать внимание, что в конечном итоге и привело к страшной катастрофе. После этого участь системы «Спейс Шаттл» была предрешена. 14 января 2004 года в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне выступил президент Джордж Буш-младший. В своей речи он провозгласил программу «Новые горизонты» (New Horizons), включающую пересмотр стратегии в пользу космических кораблей капсульного типа.
В декабре 1993 года правительства США и России утвердили планы по созданию Международной космической станции (МКС), которая в те времена называлась «Альфа». Проект был призван объединить заделы по советскому комплексу «Мир-2», американской станции «Свобода» (Freedom), европейской программе «Колумб» (Columbus) и японскому проекту JEM (Japanese Experiment Module).
Сборка МКС на орбите началась 20 ноября 1998 года с запуска российского функционально-грузового блока «Заря» массой 20 тонн. Через две недели корабль «Индевор» доставил к нему узловой модуль «Единство» (Unity, Node-1) с шестью стыковочными узлами. Экипаж шаттла, в состав которого был включен российский космонавт Сергей Константинович Крикалев, перешел на станцию и расконсервировал ее. Затем последовали новые полеты шаттлов, и МКС начала расти.