Le stazioni spaziali, o satelliti stazione, rappresentano una delle possibili applicazioni dei veicoli spaziali . Si tratta di strutture attrezzate come laboratori di osservazione e ricerca extraterrestre e come basi intermedie per missioni di lunga durata. Sono veicoli che vengono immessi su determinate orbite attorno alla Terra, dove devono permanere per un tempo ben definito, e che vengono costruiti in maniera modulare, ovverosia mediante lanci successivi dei vari componenti. 
La struttura base della stazione spaziale è costituita dallo stadio terminale del razzo vettore. I vantaggi che offre una stazione spaziale orbitante sono legati alle condizioni operative dell'equipaggio. Gli astronauti ricercatori, che raggiungono la stazione spaziale in squadre periodicamente sostituite da Terra, devono essere in grado di agire con il minimo affaticamento per condurre al meglio le loro osservazioni e assistere gli altri membri dell'equipaggio nelle missioni più complesse. Per questo scopo tutti i sistemi di comunicazione, di elaborazione dati, di produzione di energia e di deposito propellenti , sono centralizzati, per evitare che gli uomini a bordo debbano essere impegnati nel mantenimento della stazione. Sempre allo stesso fine si sta cercando di realizzare una gravità artificiale che teoricamente si ottiene grazie all'accelerazione centrifuga generata dalla rotazione di un veicolo intorno al proprio asse. In rapporto alle possibilità operative dell'uomo, già un'accelerazione pari a 3 volte quella di gravità (9,81 m/s*) potrebbe produrre effetti simili a quelli riscontrati sulla Terra.
Salyut-1, lanciato in orbita dai sovietici il 19 aprile 1971, può essere considerato il primo laboratorio della storia dell'astronautica. Rimase in attività per 175 giorni a una quota di 270 km. Era il primo di una serie di laboratori spaziali (7 versioni diverse per l'esattezza), denominati appunto Salyut, costruiti dall'ex Unione Sovietica per consentire ricerche in vari settori, dalla tecnologia alla biologia spaziale, dalla medicina alla geofisica e dall'astronomia all'astrofisica. Ogni Salyut pesava 21 t e poteva ospitare fino a 6 persone. Era costituito da settori cilindrici con differenti diametri (4,15 m al massimo), per una lunghezza complessiva di 16 m. Questi settori erano suddivisi in più moduli: un modulo di aggancio e di trasferimento per consentire il collegamento tra il laboratorio e le navette Soyuz, un modulo di lavoro e di soggiorno diviso in due parti e un terzo modulo non pressurizzato finalizzato a ospitare il sistema di propulsione. La seconda generazione di laboratori (Salyut 2, 3, 4 e 5) venne modificata nel modulo di trasferimento a cui furono aggiunti un portellone di uscita e una camera di equilibrio. Salyut 6 e Salyut 7, costituenti l'ultima generazione, conobbero un nuovo sistema di propulsione con l'aggiunta di un secondo sistema di aggancio e di un accesso posteriore per le   Progress. 
Il 14 maggio del 1973, a opera della NASA (National Aeronautic and Space Administration), il massimo ente spaziale statunitense, mediante i primi due stadi del razzo Saturno V venne collocato in orbita lo Skylab, che grazie alle sue vaste dimensioni può essere considerato il primo vero laboratorio stazione orbitante. Lo Skylab, ricavato dal terzo stadio di Saturno V, aveva un'atmosfera interna costituita da una miscela di ossigeno e di azoto con una pressione tre volte inferiore rispetto a quella dell'ambiente terrestre ed era suddiviso in una dispensa, un vano bagno con doccia, tre cuccette e un luogo adibito a sperimentazioni. Nonostante un guasto sopravvenuto durante la fase di lancio, in cui vennero danneggiati i due pannelli solari posizionati sulle grandi ali esterne e che servivano per ricaricare le batterie , lo Skylab funzionò perfettamente fino a missione compiuta. Nella sua parte anteriore, questo laboratorio era dotato di un grande telescopio spaziale ricaricabile sempre grazie a degli appositi pannelli solari. Questo laboratorio serviva a studiare il Sole, di cui scattò ben 28.700 immagini fotografiche, e fornì una notevole quantità di dati di altro tipo. Lo Skylab rimase in orbita per 6 anni senza ricevere la visita di alcun astronauta e, contrariamente a quanto previsto dal progetto, non fu mai più recuperato. Nel 1979, una volta venuto a contatto con l'atmosfera terrestre, si disintegrò quasi completamente. 
Nel 1975 russi e americani strinsero un accordo per far agganciare in orbita una capsula Apollo con una Soyuz, ma la vera collaborazione fra le due nazioni si è verificata pochi anni or sono grazie agli agganci tra lo Space Shuttle e la stazione spaziale russa Mir. La Mir, lanciata il 20 febbraio 1986 e visitata da numerosi equipaggi internazionali, è una sorta di Salyut migliorata. Oggi è l'unica stazione orbitante operativa grazie ai suoi 6 portelloni di aggancio collegati ai grandi moduli scientifici e alle sue capsule. Risalgono al 1995 gli ultimi due moduli, Spectr e Piroda, con i quali la Mir ha raggiunto un peso complessivo pari a 135 t.
Nonostante la Mir abbia circa le stesse dimensioni di Salyut 7, di cui ha preso il posto, alloggia un minor numero di apparecchiature scientifiche: questo per garantire maggior comodità e privacy ai cosmonauti che ospita (fino a sei, ma normalmente due o tre). La struttura base di Mir si compone di quattro moduli indivisibili: uno per l'aggancio delle navette Soyuz e il trasferimento dell'equipaggio; uno per il lavoro in orbita; uno per il soggiorno dell'equipaggio, connesso a quello per il lavoro; e uno per il sistema di propulsione. Poiché vivere e lavorare in assenza di gravità non è agevole, il pavimento, il soffitto e le pareti di Mir sono dipinti in colori diversi per aiutare i cosmonauti a mantenere il senso della direzione. Una curiosità: Mir ha ospitato a bordo anche alcuni "passeggeri" civili paganti: il primo è stato un giornalista giapponese, Toyohiro Akiyama, un giornalista giapponese che a dicembre del 1990 vi trascorse una settimana.
 Per lo Space Shuttle, invece, sono stati realizzati due laboratori pressurizzati: Spacelab e Spacehab. Il primo, lungo 7 m e largo 4 m, è stato portato in orbita per la prima volta nel novembre 1983, con la navetta Columbia, e ha poi effettuato altre missioni. Spacehab, lungo 4 m e largo 3 m, vola dal giugno 1993 e offre il vantaggio, date le dimensioni minori, di poter essere montato e smontato nella stiva della navetta spaziale in modo più facile e rapido. Da Spacehab, la cui struttura principale è stata realizzata in Italia, deriveranno i moduli logistici della stazione Alpha che verrà costruita in orbita a partire dal 1998.