Интерес НАСА к «Миру» был исключительно в качестве ступеньки, и вскоре после последнего полета шаттла «Мир» в начале 1998 года оно намеревалось вывести на орбиту первый элемент своего многонационального проекта, получившего название Международная космическая станция (МКС). Запущенный Россией на ракете-носителе «Протон» в конце 1998 года, начальный модуль под названием «Заря» должен был обеспечить управление положением и солнечные батареи для зарождающейся станции. Вскоре после этого астронавты шаттла переправили и закрепили на станции первый американский элемент, получивший название Unity — соединительный узел с несколькими системами стыковки.
Трудности с разработкой отложили запуск следующего элемента МКС — «Звезды», места обитания экипажа и центра управления, аналогичного базовому блоку «Мир», — до середины 2000 года. Через две недели после запуска на ракете-носителе «Протон» «Звезда» совершила рандеву и автоматически пристыковалась к хвостовой части «Зари». Позже в том же году на корабле «Союз ТМ» прибыл первый экипаж МКС, состоящий из двух россиян и одного американца. Последующая установка большой солнечной батареи и радиаторов охлаждения на ферме, установленной на «Юнити», позволила в начале 2001 года запустить на шаттле микрогравитационную лабораторию НАСА Destiny. Добавление Destiny, которую астронавты состыковали с ведущим концом Unity, стало важной вехой в проекте, поскольку облегчило проведение научных операций. Впоследствии были добавлены и другие компоненты. После катастрофического взрыва орбитального корабля «Колумбия» в 2003 году и последующей временной остановки флота шаттлов деятельность на борту МКС была сведена практически к уровню смотрителя, а космические корабли «Союз» стали единственным средством обмена экипажами на станции.
После возобновления регулярных полетов шаттлов в 2005 году численность экипажа МКС была увеличена до трех человек. Строительство возобновилось в сентябре того же года, и к ней были добавлены пара солнечных крыльев и тепловой радиатор. Американский узел Harmony европейской сборки был установлен на конце Destiny в октябре 2007 года. На «Гармонии» имеется стыковочный порт для космического челнока и соединительные порты для европейской лаборатории «Колумб» и японской лаборатории «Кибо». В феврале 2008 года «Колумб» был установлен на правом борту «Гармонии». Columbus стал первой европейской космической лабораторией с длительным пребыванием экипажа и содержал эксперименты в таких областях, как биология и гидродинамика. В следующем месяце усовершенствованный вариант ракеты Ariane V запустил самый тяжелый европейский космический корабль — автоматический транспортный корабль (ATV) «Жюль Верн», который доставил на МКС 7 700 кг (17 000 фунтов) грузов. Также в марте 2008 года астронавты шаттла доставили на МКС канадского робота Dextre, который был настолько сложным, что мог выполнять задачи, для которых раньше астронавтам пришлось бы совершать выходы в открытый космос, и первую часть Кибо. В июне 2008 года была установлена основная часть Кибо.
МКС полностью вступила в строй в мае 2009 года, когда на ней начал размещаться экипаж из шести человек; для этого потребовалось, чтобы к МКС постоянно были пристыкованы два спасательных корабля «Союз». В июле 2009 года к дальнему концу корабля «Кибо» была прикреплена внешняя платформа, а в ноябре 2009 года к модулю «Звезда» был прикреплен российский стыковочный порт и воздушный шлюз «Поиск». В 2010 году был установлен третий узел — «Транквилити», на котором был смонтирован купол с роботизированной рабочей станцией и множеством окон, позволяющих астронавтам наблюдать за внешними операциями.
После завершения строительства МКС флот шаттлов был выведен из эксплуатации в 2011 году. После этого МКС обслуживали российский «Прогресс», европейский ATV, японский H-II Transfer Vehicle, а также два коммерческих грузовых корабля — Dragon компании SpaceX и Cygnus компании Orbital Sciences Corporation. Американские астронавты использовали космические корабли «Союз» для доставки на МКС до 2020 года, когда американские компании разработали космические корабли с экипажем, первым из которых стал Crew Dragon компании SpaceX. Космические агентства, являющиеся партнерами МКС, окончательно не решили, когда программа завершится, но в 2010 году администрация президента США Барака Обамы заявила, что программа МКС будет продолжаться «вероятно, после 2020 года», а в 2021 году Россия объявила, что ее участие в МКС может закончиться в 2025 году со строительством новой российской станции.
