美國第一個，也是唯一獨有的空間站天空實驗室，於1973年5月14日發射到軌道。這個重約77噸的大傢伙的生命於1979年7月11日走到盡頭。當時，天空實驗室垂直落入地球大氣層，未燃盡的大塊碎片如雨點般落入從印度洋東南部到澳大利亞西部荒漠地區的廣大區域。
1958年，剛成立的美國宇航局在對未來10年航天活動進行規劃時，提出許多發展任務，佔主導地位項目是空間站和載人登月。這兩項計劃曾引起廣泛爭論，有人建議優先發展空間站，有人則認為應該優先發展載人登月。直到1961年5月25日甘迺迪總統提出阿波羅登月計劃後，空間站和載人登月的爭論才暫時平息。空間站計劃落了下風。
1967年，美國宇航局馬歇爾航天中心獨立提出作為阿波羅應用計劃的一部分空間站計劃。該計劃從任務看，主要從科學和技術利益著眼，不像阿波羅計劃那樣帶有很大的政治冒險性後來演變為天空實驗室計劃。為了強調節省資金，加快進度，該計劃儘可能多地使用了阿波羅計劃的部件和技術。
這樣，雖然美國後來整個航天發展重心是太空梭計劃，但在投入不大的情況下，天空實驗室計劃仍可進行下去。天空實驗室的主體結構是「土星5號」運載火箭第三級J-2發動機的巨大液氫貯箱，其總長度8。9米，直徑6.6米。由於很長在改制成天空實驗室時，於中間加了一層隔板，將其分成上下兩部分。上層是實驗間，下層是生活間。生活間又分為4個室:起居室、用餐室、盥洗室和實驗室。上層實驗間十分寬敞，內部裝有各種儀器設備，以進行多種大型實驗。這個改裝的天空實驗室主體稱為軌道艙，裡面除了安裝各種設備外，能為3名航天員提供22立方米活動空間。軌道艙內部充以氧氣和氮氣的混合氣體，氣-壓相當於地球的13，溫控與通風系統使得艙內氣溫保持在21。1℃軌道艙的上面是過渡艙。
它長5.3米，直徑6.6米，內部可增壓，也可減壓，為航天員提供過渡通道。過渡艙又是天空實驗室的控制中樞，裡面裝有供電控制、測試檢查、數據處理，以及生命保障、通信、軌道控制等系統。過渡艙另一端是一個多用途對接艙。它長5.2米，直徑3米頭部和側面各有一個對接口，可同時與兩艘飛船對接。對接艙除了用於對接和作為航天員進出通道外，還用於太陽觀測、對地觀測和材料科學實驗。天空實驗室主要供電系統是兩塊安裝在軌道艙末端的太陽電池板，總面積70平方米，可產生約20千瓦的電能。天空實驗室最主要的科學儀器是阿波羅天文望遠鏡。它的主體是一個稜柱體，以構架的形式固定在對接艙上。發射時，這些構架保證望遠鏡位置與天空實驗室軸線一致。一旦進入軌道並同運載火箭分離，構架又可折轉90度，使得望遠鏡與軸線垂直。
在望遠鏡周圍安裝4塊較小的太陽電池板，總面積142.5平方米，最大輸出功率11千瓦。阿波羅天文望遠鏡裝有4種天線、都卜勒照相機、電視攝像機、主望遠鏡，還有其他一些天文儀器。阿波羅登月計劃結束後，1973年5月14日，一枚兩級的土星5號運載火箭在甘迺迪航天中心點火發射。
火箭第三級的位置裝的正是天空實驗室。起飛63秒，由於發射時的高速氣流衝掉軌道艙防護罩，太陽能電池發生故障，仍然被土星5號火箭發射到離地面435千米的近圓軌道上。11天後，阿波羅飛船與天空實驗室對接，3名航天員排除了電源故障，使天空實驗室恢復了功能，工作了28天後返回地球。天空實驗室後來又接待兩批6人，分別工作59天和84天。在171天的載人飛行中3批航天員用58種儀器進行270多項天文、地理、遙感、宇宙生物學和航天醫學試驗研究。
其中，用太陽望遠鏡觀測太陽，拍攝18萬張太陽活動照片;用6種遙感儀器對地球進行觀測，拍攝4萬多張地面照片和上萬米磁帶;用7種儀器研究太陽系和銀河系情況，用醫療器械研究長期失重對人體生理影響，還進行失重狀態下材料加工試驗。
天空實驗室在離地面430千米的軌道運行，生活設施極為齊全。與狹窄的飛船相比，具有368立方米容積的天空實驗室的生活要舒適得多。它有11個食品貯藏器和5個食品冷凍器，可貯907千克食品，不同種類的冷熱食品分裝在金屬盒內。另外，生設施大為改善，有沐浴、香皂、毛巾和大小便袋等。工作艙室溫保持在15.6℃~20℃，是航天員工作和生活間，同時充當實驗室、食堂、寢室、健身房和廁所等角色航天員們還在天空實驗室進行了3項饒有興趣的太空飛行實驗。
第一項，背一個背包式推力器，在實驗室內四處飛行;第二項，在實驗室外面，用新的噴氣槍噴氣產生反作用力幫助飛行;第三項試驗最令人感興趣，航天員穿上一種噴氣鞋，幫助向前、向後、向上和向下飛行，就像中國古典小說中描寫的那個腳踩風火輪的哪吒一樣為了研究人在長期失重環境中生活，健康會不會受到影響科學家們對3批航天員分別按1個月、2個月和3個月時間，逐步延長太空生活期限，以觀察和研究人體生理變化。
美國科學家根據天空實驗室航天員頭30天鈣喪失趨勢，計算出飛行一年鈣喪失量可達300克，佔體內總鈣量的25%。自1974年2月第三批航天員返回地球之後，天空實驗室就被關閉。它實際上成了一顆近80噸重的特大型人造衛星，獨自在太空中繞著地球運行。按照原來的計劃，天空實驗室至少有10年軌道壽命，可以運行到1983年。到那個時候，美國太空梭將研製成功，可以用太空梭對將要墜落的天空實驗室進行搶救，提高它的運行軌道。