우주왕복선 계획(영어: Space Shuttle program)은 미국 항공 우주국(NASA)이 1972년부터 2011년까지 진행한 유인 우주 비행 프로그램이다. 공식 명칭은 우주 수송 시스템(Space Transportation System, STS)이었으며, NASA의 네 번째 유인 우주 비행 프로그램으로서 지구 저궤도로 승무원과 화물을 정기적으로 수송하는 역할을 수행했다.
이 계획은 1960년대 후반 아폴로 계획 이후 NASA의 차기 유인 우주 사업 방향을 모색하는 과정에서 시작되었다. 1972년 공식적으로 프로그램이 승인되었으며, 1975년 아폴로, 스카이랩, 아폴로-소유즈 프로그램 이후 NASA 유인 우주 비행의 유일한 사업이 되었다. 우주왕복선은 재사용 가능한 궤도선(오비터), 재사용 가능한 고체 로켓 부스터 2기, 그리고 일회용 외부 연료 탱크로 구성되었다. 궤도선은 최대 8명의 우주인과 약 23,000kg의 화물을 탑재할 수 있었으며, 임무 종료 후 대기권에 재진입하여 활공 착륙하는 방식으로 설계되었다. 우주왕복선은 궤도 진입과 착륙에 성공한 유일한 날개 달린 유인 우주선이며, 최초로 재사용이 가능한 유인 우주선이기도 하다.
최초의 완전한 기능을 갖춘 궤도선은 컬럼비아호(OV-102)로, 1981년 4월 12일 첫 발사되었다. 이후 챌린저호, 디스커버리호, 애틀랜티스호, 엔데버호가 차례로 운용되었다. 이 계획은 총 135회의 임무를 수행했으며, 16개국에서 온 355명의 우주인이 탑승했다. 주요 임무로는 국제우주정거장(ISS) 조립 및 보급, 허블 우주망원경 발사 및 서비스 임무, 인공위성 발사 및 회수 등이 포함되었다.
운영 기간 중 두 차례의 대형 사고가 발생했다. 1986년 1월 챌린저호가 발사 후 폭발하여 승무원 7명 전원이 사망했고, 2003년 2월 컬럼비아호가 대기권 재진입 중 공중분해되어 승무원 7명 전원이 사망했다. 두 사고 이후 각각 약 2년 반가량의 비행 중단 기간이 있었으며, 안전 개선 조치가 이루어졌다.
2011년 7월 8일 발사된 STS-135(애틀랜티스호)를 마지막으로 우주왕복선 계획은 종료되었다. 30년간의 프로그램 총 비용은 인플레이션을 반영하여 약 1조 9600억 달러로 추산되며, 후반기 비행당 비용은 약 4억 900만 달러였다. 퇴역 이후 우주왕복선이 수행하던 임무는 SpaceX의 드래곤 우주선, 보잉의 스타라이너, 러시아의 소유스 등 다양한 정부 및 민간 우주선이 분담하고 있다.
