Durante la década de 1960, la NASA había planteado una serie de proyectos sobre vehículos espaciales reutilizables para reemplazar los sistemas de uso único como el Proyecto Mercury, el Proyecto Gemini y el Programa Apolo. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) también tenía interés en sistemas más pequeños con mayor maniobrabilidad, y estaba realizando su propio proyecto de avión espacial, llamado X-20 Dyna-Soar, por lo que ambos equipos trabajaron juntos.
En la segunda mitad de la década de los 60, el esfuerzo para mejorar el Apolo se estaba diluyendo, y la NASA empezó a trabajar en el siguiente paso del programa espacial. Se proyectó un ambicioso programa que contemplaba el desarrollo de una enorme estación espacial, que se lanzaría con grandes cohetes y sería mantenida por un "transbordador espacial" reutilizable, el cual a su vez sería capaz de dar servicio a una colonia lunar permanente y, eventualmente, transportar personas a Marte.
Sin embargo la realidad fue otra, ya que el presupuesto de la NASA disminuyó rápidamente. En lugar de retroceder y reorganizar su futuro en función de su nueva situación económica, la agencia intentó salvar tanto como fuera posible de sus proyectos. Se descartó la misión a Marte, pero tanto la estación espacial como el transbordador todavía estaban en pie. Finalmente sólo se pudo salvar uno de ellos, que por razones económicas y logísticas fue el transbordador, ya que sin ese sistema no se podría construir una estación espacial.
Se propusieron una gran variedad de diseños, muchos de ellos complejos. Maxime Faget, diseñador de la cápsula del Mercury, entre otros, creó el "DC-3"; un pequeño avión capaz de llevar una carga de 9.000 kg y cuatro tripulantes, aunque con maniobrabilidad limitada. El DC-3 se constituyó en la plataforma básica con la que se compararían los demás diseños.
En un intento de de ver su último proyecto salvado, la NASA pidió ayuda y colaboración de la Fuerza Aérea Estadounidense. La agencia solicitó que los futuros lanzamientos de la USAF se hicieran con el transbordador, en lugar de utilizar los lanzadores de un sólo uso que se estaban empleando, como el cohete Titan II. Como compensación, la USAF obtendría ahorros significativos en la construcción y actualización de sus lanzadores, puesto que el transbordador tendría capacidad más que suficiente para lograr los objetivos.
Sin mucho entusiasmo, la USAF asintió, no sin antes pedir un incremento significativo en la capacidad del transbordador, para permitirle lanzar sus satélites espías proyectados. Estos eran grandes, con un peso aproximado de 18.000 kg, y tendrían que ponerse en órbita polar, lo que necesita más energía que la que se requiere para poner un objeto en órbita baja (LEO). El vehículo también tendría que tener la capacidad de maniobrar hacia cualquier lado de su huella orbital para ajustarse a la deriva rotacional del punto de lanzamiento mientras estuviera en la órbita polar —por ejemplo, en una órbita de 90 minutos, el "punto Vandenberg" en California, EE.UU. tendría una deriva de 1.600 km, mientras que en órbitas más alineadas con el Ecuador, la deriva sería de menos de 400 km—. Para lograrlo, el vehículo debería tener alas más grandes y pesadas.
Con ello, el sencillo DC-3 quedaba fuera de la ecuación, debido a su reducida capacidad de carga y habilidad de maniobra. De hecho, todos los diseños eran insuficientes. Todos los nuevos dibujos tendrían que incorporar un ala delta. Y ese no era el único inconveniente: con el incremento de la capacidad del vehículo, los propulsores también debían ser mucho más potentes. De pronto, el sistema había crecido hasta ser más alto que el Saturn VI y sus costes y complejidad se salieron de todos los pronósticos.
Mientras todo esto sucedía, otras personas sugirieron un enfoque diferente: que la NASA utilizara el Saturn existente para lanzar la estación espacial, la cual sería mantenida por cápsulas Gemini modificadas, montadas sobre cohetes Titan II-M de la USAF. El coste sería probablemente menor, y alcanzaría antes el objetivo de la estación internacional.
La respuesta no se hizo esperar: un transbordador reutilizable compensaría con creces el coste de su desarrollo, si se comparaba con el gasto de lanzar cohetes de uso único. Otro factor en el análisis fue la inflación, que fue tan alta en la década de los años setenta del siglo XX que cualquier reposición del coste del desarrollo tenía que ser rápida. Se necesitaba entonces un elevado ritmo de lanzamientos para hacer que el sistema fuera factible desde el punto de vista económico. Estas condiciones no las cumplían ni la estación espacial ni las cargas de la USAF. La recomendación fue, entonces, hacer los lanzamientos desde el transbordador, una vez construido. El coste de lanzar el transbordador tendría que ser menor que cualquier otro sistema, exceptuando los cohetes pequeños y los muy grandes.
Con el tema de la viabilidad solucionado, la NASA se dedicó a obtener fondos para los cinco años que tardaría el desarrollo del proyecto, empresa que no resultó para nada fácil. La inflación, la Guerra de Vietnam y la crisis del petróleo amenazaban con dar al traste con el transbordador, pero era el único proyecto viable, y suspenderlo significaba que EE.UU. no tendría un programa espacial tripulado en la década de 1980. Sin embargo, los presupuestos debían ajustarse, lo cual llevó otra vez a la mesa de diseño. Se abandonó el proyecto de cohete reusable en favor de un cohete sencillo que se desprendiera y fuera recuperado posteriormente. El combustible se sacó del orbitador a un tanque externo, lo cual permitió aumentar la capacidad de carga a costa de desechar el tanque.
El último escollo de diseño fue la naturaleza de los propulsores. Se propusieron al menos cuatro soluciones, y se optó finalmente por la que contemplaba dos cohetes sólidos (en vez de uno grande), debido a los menores costes de diseño (aspecto que estuvo permanentemente presente en el diseño del transbordador).
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