前苏联发射世界第一个试验航天站“礼炮1”号后的两年，1973年5月14日，美国成功地发射了它的“天空实验室”，这个实验室就是太空航天站。
“天空实验室”计划是在“阿波罗”登月计划的基础上制定的，主要是利用“阿波罗”登月计划结束后的剩余运载工具和设备以及所积累的技术成果而研制发展的。
“天空实验室”是一个多舱室组合体，其主要结构由轨道工场、太阳望远镜、过渡舱、多用途对接舱和“阿波罗”飞船的指挥服务舱等5个部分组成，轨道全长36米，总重82吨，拥有工作容积316立方米。轨道工场是航天员的主要工作和生活舱室，由“土星5”火箭的第三级改装而成，其中火箭的液氢箱改成为航天员的生活和工作区，并用隔板分成卧室、餐室、观察室和盥洗室。轨道工场内，室温保持在16摄氏度~32摄氏度之间，可以调节；舱内为0?35个大气压的纯氧大气层，航天员呼出的二氧化碳及水汽由分子筛进行消除。工场外壳厚13厘米，其中6厘米厚铝防护板用于防止粒子辐射对航天员的侵害。太阳望远镜用于对太阳进行观察，利用电视传输系统将太阳图像和数据传往地面进行处理。“阿波罗”飞船指挥服务舱由“阿波罗”飞船改装而成，作为航天员在天地间往返和运输物料的航天渡船。
“天空实验室”的发射分两步进行。第一步用“土星5”运载火箭先将装配好的轨道工场、太阳望远镜、过渡舱和多用途对接舱发射到435千米高的圆形地球轨道；第二步再用“土星lB”运载火箭把乘有3名航天员的“阿波罗”飞船送到空间，入轨后与多用途对接舱对接，构成完整的“天空实验室”。于是“阿波罗”飞船的航天员进入轨道工场，开始空间科学实验工作。工作完成后再返回飞船，接着“阿波罗”飞船再载着3名航天员与多用途对接舱分离，离轨后再入大气层返回地面。先后共有3批9名航天员进入“天空实验室”工作：第一批3名航天员在1973年5月25日乘飞船到“天空实验室”工作28天；接着，7月28日和11月6日又有2批航天员乘飞船进“天空实验室”分别工作了59天和84天，进行了有关生物医学、太阳天文学、地球资源勘测、空间加工等综合观察和实验，特别是着重研究人在长期失重条件下的反应和变化。1974年2月第三批航天员返回地面后，“天空实验室”即停用，并于1979年7月11日坠毁。
这个“天空实验室”坠毁后，美国很长一段时间没有发射过太空航天站，致使此后30多年无法进行长期载人航天飞行和各种空间科学实验，并使美国在这个领域损失了很多时间而远远落在前苏联的后面。这是为什么呢?并不是美国对发展航天站有什么不同于前苏联的看法，更不是美国在技术上有问题，而是由于美国采取了一条不同于前苏联建设航天站的路线。前苏联采取的是从载人航天飞船通过一次性运载发射系统直接走向太空航天站建设；而美国想采取的是从载人航天飞船通过可重复使用的航天飞机作运输再走向航天站建设。美国认为，用一次性运载系统作运输建设它设想的规模巨大的航天站费用太高，经济上不合算；用可以重复使用的航天飞机作运输工具，建设航天站是可取的。可是，事与愿违，由于航天飞机研制计划的拖延，航天站计划也只得延后研究；而且实践已经证明，用航天飞机作运输工具并不比一次性运载工具的成本低。在前苏联连续20多年用航天站进行广泛的空间科学研究的时候，美国在地球轨道上的航天站还是空缺。
1981年4月12日美国航天飞机首次试航成功和1982年6月11日航天飞机正式开始第一次业务飞行之后，1984年1月，美国总统里根宣布要建立长期性空间航天站。美国准备和其他西方国家共同协作来建设一个规模巨大的航天站。1989年9月29日，由美国、日本、加拿大和欧空局的国家共12国正式签订建立长期性航天站协定。这个名叫“自由”号的航天站将主要通过航天飞机作运输工具进行建设，航天站则由12国共同设计、制造和管理。