從飛行區域看
航空和航天是兩個不同的技術領域，代表就是飛機和航天飛行器，它們分別在大氣層內、外活動，航空運輸系統是重複使用的，航天運載系統一般是不能重複使用的。而空天飛機能夠達到完全重複使用和大幅度降低航天運輸費用的目的。
按照定義，飛行高度在海拔80—100公裡以上的飛行器可被稱為太空飛行器，這個高度也是電離層所覆蓋的區域，其空氣密度非常低，傳統的航空器最大飛行高度被限定在海拔40公裡左右，主要依賴於空氣動力學原理來設計，超出這個高度後空氣動力效應基本不起作用，因此海拔40—100公裡的高度被認為是連接大氣層和外太空的臨近空間，這也是現階段跨大氣層飛行器進行巡航機動飛行的主要高度。在不同的高度之間，不同的飛行器所需要的設計原理完全不同，而空天飛機就是要打破這一界限，實現跨界融合，同時具備兩個不同空域的飛行能力。
從動力系統看
相比於航空動力或者航天動力，空天飛機的動力系統由於要考慮兼顧兩者，就必須更加複雜，因此目前世界上任何一種單一類型的發動機都難以勝任。而我國正在研發的水平起降、可重複使用天地往返飛行器，是採用兩級入軌技術。
實際上，空天飛機大多數會選擇依靠大型載機發射起飛，因為依靠大型載機平臺，可以實現從傳統的機場起飛，而空天飛機自身則使用火箭動力推進。空天飛機由載機攜帶，在一定的高度上釋放發射，可以大幅簡化對助推級的性能要求。此外，因為載機本身已經給予了空天飛機一定的勢能和動能，因此空天飛機可以減少推進劑攜帶量，降低自身重量或者攜帶更多有效載荷。而且，此類空天飛機的火箭尾噴管不需顧及海平面至準真空環境的變化，有利於提高發動機的比衝，可在其飛行包線內的任意一個高度和速度上進行發射。
組合體起飛時，只需使用載機上低速性能最高的航空渦輪發動機提供動力。當組合體抵達海拔30公裡高度時，空天飛機脫離載機，由於該空域還在大氣層內，空氣雖然稀薄但仍能為發動機的工作提供效用，因此，在這一階段空天飛機可以使用高速衝壓發動機提供動力；當空天飛機飛至大氣層邊緣時，則採用不需要空氣也能工作的火箭發動機，飛出大氣層。
目前，所有跨大氣層飛行器並不能真正實現依靠單個飛行器發動機就能從地面到太空的飛行。當然，有人會說太空梭可以實現，但是太空梭仍然是一套火箭發射系統，垂直發射，且是兩級入軌系統，雖然可以重複使用，但重複次數也是有限。太空梭與空天飛機最大的不同就是起飛方式，空天飛機可以水平起降。
此外，要在海拔30公裡的高度上以至少8馬赫的速度進行高超音速巡航，空天飛機還必須具有適合進行長時間、高空高速飛行的氣動外形，尤其還要兼具水平起降和大氣層內的飛行能力。其隔熱結構和機身材料上也需要特別講究，因為高超音速的飛行過程中氣動加熱是十分明顯的，頭錐和機翼前緣溫度可達到1400℃以上，其耐熱材料需要具備較高的熱導率，碳複合材料使用的比例還會更高。