우주왕복선(宇宙往復船, 영어: Space Shuttle, 공식 명칭: Space Transportation System, STS)은 미국 항공우주국(NASA)이 운용한 재사용 가능한 유인 우주선이다. 우주왕복선은 지구와 우주를 반복해서 왕복할 수 있도록 설계되었으며, 1981년 4월 12일 최초 발사(컬럼비아 호, STS-1) 이후 2011년 7월 21일 애틀랜티스 호의 최종 임무(STS-135)까지 약 30년간 운용되었다.
우주왕복선 시스템은 세 가지 주요 구성 요소로 이루어진다. 첫째는 비행기 형태의 궤도선(Orbiter)으로, 승무원과 화물을 수송한다. 둘째는 외부 연료 탱크(External Tank)로, 궤도선의 주 엔진에 연료를 공급하며 발사 후 분리되어 대기권에서 소멸된다. 셋째는 두 기의 고체 로켓 부스터(Solid Rocket Booster, SRB)로, 발사 초기 단계에서 주요 추력을 제공하며 분리된 후 바다에 낙하하여 재사용된다. 궤도선은 수직으로 발사되며, 임무 종료 후에는 동력 없이 활공하여 활주로에 착륙한다.
우주왕복선 궤도선은 보통 5명에서 7명의 우주인과 약 22,700킬로그램의 화물을 지구 저궤도로 운반할 수 있었다. 주요 임무로는 인공위성 발사 및 회수, 허블 우주망원경 수리 및 업그레이드, 국제우주정거장(ISS) 건설 및 보급, 과학 실험 수행 등이 있다.
NASA는 총 6기의 궤도선을 제작하였다. 엔터프라이즈(OV-101)는 대기권 내 시험 비행용으로 제작되어 실제 우주 비행을 수행하지 않았다. 실제 운용된 궤도선은 컬럼비아(OV-102), 챌린저(OV-099), 디스커버리(OV-103), 애틀랜티스(OV-104), 인데버(OV-105)이다. 이 중 챌린저 호는 1986년 1월 28일 발사 직후 고체 로켓 부스터의 O링 결함으로 폭발하여 승무원 7명 전원이 사망하였다. 컬럼비아 호는 2003년 2월 1일, 발사 당시 외부 연료 탱크에서 떨어진 파편이 날개 열 보호막을 손상시킨 것이 원인이 되어 재돌입 과정에서 공중분해되며 승무원 7명 전원이 사망하였다.
우주왕복선 계획의 총 비용은 약 1,740억 달러(2005년 기준 추정치)에 달하였으며, 총 135회의 비행이 이루어졌다. 초기 목표였던 저렴한 발사 비용과 높은 발사 빈도는 달성되지 못했으며, 매 비행당 약 13억 달러의 비용이 소요된 것으로 추산된다. 우주왕복선은 재사용이 가능하도록 설계된 최초의 궤도 우주선이라는 역사적 의의를 지니나, 높은 운영 비용과 안전성 문제로 인해 2011년 퇴역하였다. 퇴역 후 NASA는 상업용 유인 우주선 및 오리온(Orion) 우주선을 통해 유인 우주 비행을 이어가고 있다.
