空天飞机可以认为是飞机和航天器的“混血儿”，是一种打破大气层内外界限的理想飞行器。空天飞机虽然外观上与航天飞机有相似之处，但升空阶段不依赖助推火箭，而是可以与普通飞机一样依靠自身动力常规起降。
空天飞机之所以能够完成航空航天，是因为它可以像普通飞机一样水平起飞，以1.6万～3万千米每小时的高超声速在大气层内飞行，在30～100千米高空的飞行速度为12～25倍声速，而且返回时，可以直接加速进入地球轨道。返回大气层后，像飞机一样在机场着陆，成为自由往返天地之间的运输工具。
与运载火箭和航天飞机相比，空天飞机最明显的优势是全部系统都可以循环使用，因此空天飞机可以大幅降低综合成本。同时，普通军、民用机场稍经改造，就可以用于空天飞机的起降，因此在部署和运用上灵活性更高。
空天飞机是目前各国争相开发的第二代航天飞机，它集飞机、运载器、航天器等多种功能于一身，是未来控制空间、争夺制天权的武器装备之一。
空天飞机在商业上的应用价值有以下几个：
(1) 可以作为空间站的运输机。向空间站运送人和货物的运输费是十分昂贵的，而空天飞机的运输费用至少可降到航天飞机的1/10，甚至可降到1%。
(2) 可以发射和回收卫星。用空天飞机发射、维修和回收卫星，不需要规模庞大、设备复杂的航天发射场和长达一两个月的发射前准备，也不受发射窗口的限制，能适应频繁发射的需要。
(3) 可实现全球范围内的快速客运。空天飞机飞行速度很快，便于实现全球范围内的快速客运。
空天飞机在军事上的应用包括：
(1) 确保快速、廉价地进入太空。空天飞机与目前使用的火箭、飞船和航天飞机比，在重复使用性、发射操作费用、可维修性、周转时间、灵活机动方面有革命性的改变。
(2) 可以作为空间武器的发射平台，对敌方的陆、海、空、天重要目标进行攻击。
(3) 利用自身的探测设备发现对方卫星，进行跟踪、干扰、俘获，或将它送入错误轨道，甚至带回地面。
(4) 可以作为快速运输机和轰炸机，在一小时内快速到达全球任何地方，对全球范围发生的地区冲突做出反应，或对敌方发动突然袭击。
(5) 可作为战时空间预备指挥所。
(6) 可以利用其携带的照相、电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射等进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机有更大的灵活性，综合侦察能力更强，实时性更好。
对于空天飞机而言，组合动力模态是最难攻克的难关。因为它涉及到大气层内和大气层外两种不同动力方式的切换。大气层外没有氧气，因此为太空飞行提供动力的航天发动机，不但需要燃料，还需要有液氧助燃。而大气层内使用的航空发动机就类似飞机的发动机。将这两种完全不同的发动机有效率地整合在一架空天飞机上，还要控制好切换，技术难度相当大。
空天飞机将是21世纪世界各国争夺制空权和制天权的关键武器之一。
在未来的太空战中，空天飞机可以摧毁敌人的航天器，俘获敌人的卫星，与敌人的卫星展开厮杀，其威慑力堪比核武器；还可以为自己的部队发射更多的军用卫星，为自己的部队输送大量的军用物资和补给品；甚至还能帮助自己的部队夺取电磁战场上的绝对优势及夺取制天权，并且切断敌方的通信，摧毁敌方的各种卫星。它是比航天飞机更为灵活、速度更快、战斗力更强，并且功能更多的一种太空武器。