代号OV-102，完成于1975年3月的哥伦比亚号航天飞机是NASA的第一艘航天飞机轨道器。1981年4月12号，这艘重达111吨的航天飞机开始了第一次地球低轨道任务，揭开了NASA的太空运输系统计划(STS)的篇章。以第一艘环绕世界航行的美国船只命名的哥伦比亚号在接下来的22年里完成了27次飞行任务，其中包括担任阿波罗11号的指挥和服务舱。
作为NASA最老的轨道器，哥伦比亚号也是最重的。不同于其姐妹们，发现号，亚特兰蒂斯号和奋进号，哥伦比亚号很难进入到俄罗斯米尔太空站和国际空间站的51.6°轨道倾角并进行有效载重。也就是说，在米尔空间站/国际空间站时代，NASA只能用哥伦比亚号进行一些低轨道任务，如哈珀望远镜维护。
后来，经过延时轨道器改造后的哥伦比亚号能够在轨道上停留超过两周时间，成为科学研究平台。然而，随着国际空间站上科学研究的扩展，这类任务也逐渐变得稀少，甚至终结。
1996年4月，在佛罗里达可可海滩举行的33届太空会议上，NASA肯尼迪太空中心车辆工程指挥部工程师Carey McCleskey写信提议用哥伦比亚号的运载能力，“在月球上开创一项亿元事业。”具体点来说，他提议把哥伦比亚号作为公私合营的小型月球登陆车的发射平台。在每次月球车发射任务中，哥伦比亚号只需要在太空中呆上几个小时。
这种月球车是一种与火星探路者相似的无线电操控微型机器人。它们可以作为地球游客的月球探索车。
Carey McCleskey坚信该计划能够帮助美国获取公众支持，重返月球。他写道：
“使用哥伦比亚号只是该视野的开端。该计划能够将航天飞机系统提升到更先进的太空货运系统。因此，航天飞机不仅仅是在为月球企业运货，更将是我们的下一个机遇。”
2003年1月16号，哥伦比亚号开始了它的第28次太空任务，STS-107。点火发射22秒后，一块20英尺长的隔热泡沫从外部燃料箱上脱落，砸中了左翼。工程师在检查高清图像后警告说，机翼有损坏的风险。然而，航天飞机控制部门忽略了他们的警告。
从盈月到满月，再到残月直至新月，哥伦比亚号上的7名宇航员在16天里进行了一系列实验。并向地球传送了一幅1月16日拍摄的下弦月照片。
2003年2月1日，正是新月的那天，哥伦比亚号发动了轨道机动引擎，从轨道减速，进入地球大气层。在哥伦比亚号达到40万英尺时，机身开始发热。40分钟后，机翼前沿部分达到了3000华氏度(1650摄氏度)的高温极限。
当哥伦比亚号从预定降落线路飞跃加州海岸时，高温气体从左翼前沿裂隙中冲入到机体内部。休斯敦调控中心的飞行调控员很是不解，为何左翼传感器全部失效。
而在加州，内华达，犹他，亚利桑那，科罗拉多，新墨西哥和德州的观察员们，则看到哥伦比亚号身后拖着一条光火，飞快的前进。哥伦比亚号的老观察员则注意到，其身后有着20个不同寻常的光火，和一些奇特的明亮线条。
当哥伦比亚号从新墨西哥进入德州时，机身开始脱落碎片。与此同时，推进器自动点火，用于抵消左翼上的拉力。哥伦比亚号并没有放弃。
高温气体进入左翼后10分钟，调控中心失去了与哥伦比亚号的无线电联络。不到一分钟后，机翼折断，哥伦比亚号在德州达拉斯西部上空20万英尺处解体，其残骸坠落在德州东部与路易斯安那西部。
如若哥伦比亚号没有坠毁，NASA还准备在2003年9月让其进行首次国际空间站对接任务。并准备在STS-118任务上，让发现号接替哥伦比亚号，出任常规维护任务。最终，STS-118任务由接替挑战者号的奋进号在2007年8月进行。在哥伦比亚号服役的一生中，未曾拜访过米尔空间站，也是唯一一艘未能拜访空间站的航天飞机。
STS-107空难事件彻底影响了美国的太空计划，即使在今日，影响尚未完全消除。最大的影响便是，2004年1月，国际空间站完成后，总统布什下令提前执行2010年的航天飞机项目关停计划。2011年7月21号，随着亚特兰大号降落在佛罗里达，第135次，也是最后一次太空飞行任务STS-135圆满落幕。2011年8月16号，航天飞机项目主管John Shannon宣布，航天计划于2011年8月31日正式结束。
