「國際空間站」的建造分3個階段，每一個階段都建立在前一個階段的基礎之上，但後一階段又都比前一階段有所突破、有所創新。其中後2個階段採用邊裝配、邊工作的建造模式。
1994～1998年為開始準備階段。其主要內容是進行9次美國太空梭與俄羅斯和平號空間站的對接飛行，送美國航天員到和平號上累計工作近3年，取得太空梭與空間站交會對接以及在空間站上長期進行生命科學、微重力科學實驗和對地觀測等方面的經驗，訓練美國航天員在空間站上的生活和工作能力，從而降低「國際空間站」研製、裝配和運行中的技術風險。美國太空梭與俄和平號空間站最後一次對接於1998年6月12日圓滿結束。美方認為9次對接收穫很大，它使美國航天員在處理危機方面得到了很好的鍛鍊。如沒有這項合作項目，和平號上出現的許多問題將來在「國際空間站」出現時就無法處理；對接使兩國航天員取得了共同處理問題的經驗，建立起了合作精神。此外，9次對接飛行還驗證了俄羅斯研製的對接系統和太空梭控制大型空間站姿態的能力；完成了降低裝配風險的研究；試驗了美俄地面控制中心之間交換數據的各種方法。
1998～2001年為初期裝配階段。1998年11月20日，俄羅斯質子號火箭發射了美國出錢、俄羅斯製造的「國際空間站」第1個艙——曙光號多功能艙，此後又陸續發射了美國團結號節點艙-1、俄羅斯星辰號服務艙、第1副美國巨形太陽能電池翼、美國命運號實驗艙、加拿大巨型遙控機械臂，2001年7月12日為「國際空間站」送去的美國探索號氣閘艙標誌著「國際空間站」初期裝配階段的結束，此時「國際空間站」達到了可提供3名航天員在軌工作的能力。
2002～2010年為最後裝配階段。主要內容是完成「國際空間站」的裝配，達到6人長期在軌工作的能力。現已發射和組裝了部分美國桁架(整個桁架由11段連接而成，目前連接了3段)和加拿大移動服務系統，2007年起還將發射和組裝歐洲哥倫布號實驗艙、日本希望號實驗艙、俄羅斯能源艙、其他美國桁架結構、太陽能電池陣和美國的居住艙等。該階段現定於2010年完成，美國居住艙在軌裝配完畢後標誌著這座空間大廈在太空落成，其工作壽命10年～15年。
由於哥倫比亞號於2003年2月1日失事使所有太空梭停飛，因而在2003～2006年期間，「國際空間站」沒有增加新的組件，只是通過定期更換2人長期考察組進行維護，並開展一些科學實驗和技術試驗，為「國際空間站」的後期建造工程做一些準備工作。
雖然，2005年7月26日發現號太空梭進行了首次復飛，並與「國際空間站」對接，但它只為「國際空間站」輸送了一些給養和設備，運回自2002年最後一次太空梭訪問空間站以來存放的大量垃圾，完成了用空間站遙控機械臂拆除和更換控制動量陀螺-1(CMG-1)等工作，而沒有為空間站運去較大的新組件。
2006年7月執行的太空梭STS-121任務與2005年執行的STS-114首次復飛時類似，即除為「國際空間站」輸送了一些給養和設備，運回空間站存放的垃圾外，也沒有為空間站運去較大的新組件，但為空間站第13長期考察組運去了1名新成員，即歐洲航天局航天員託馬斯·賴特。從此，空間站上的常駐人員由哥倫比亞號失事以後的2名恢復到3名。賴特也將成為第一位在「國際空間站」長期逗留的非美國或俄羅斯航天員。在太空梭第2次復飛的過程中，航天員還將出艙更換「國際空間站」移動服務系統的1根電纜。
如果這次發現號飛行順利，則2006年8月或9月發射裝有「國際空間站」部件的亞特蘭蒂斯號太空梭。其實，2006年7月的太空梭STS-121任務應由亞特蘭蒂斯號完成，但由於太空梭第3次復飛需為空間站輸送的設備太重，而發現號無法承擔，所以就按照目前這樣的飛行順序安排了，以免亞特蘭蒂斯號連飛兩次。
不過，亞特蘭蒂斯號將成為首架退役的太空梭，退役時間極有可能在2008年。這是因為2008年它已到了該進行維護的時候了，而這一過程將持續2年時間，所以與其花費2年時間以及大量資金對亞特蘭蒂斯號太空梭進行維護，還不如讓其退役。這架造價30億美元的太空梭在退役前還有可能再進行四五次太空飛行。
目前，「國際空間站」總質量約為183噸。如果太空梭每年發射4～5次，它可以在2010年完工。建成後的「國際空間站」將是總質量約423噸。長108米、寬88米、密封艙容積達1202米3的大型空間設施，可成為近地軌道上有人直接參與各種科學研究活動的基地。