1998年11月20日，莫斯科时间9点40分。哈萨克斯坦共和国拜科努尔发射场。
随着指挥员一声令下，俄罗斯“质子K号”运载火箭携带着未来国际空间站的第一个组件——功能货舱“曙光号”，喷射着熊熊烈焰从发射架上腾空而起。5876秒后，13米长的功能舱成功地进入距地球179公里的近地轨道。这标志着一项总投资近千亿美元的人类航天史上最大的“天际建筑”工程——国际空间站在太空中正式“破土动工”。
造价近25亿美元的“曙光号”功能舱，是国际空间站的基础舱，由俄罗斯负责建造。它重达24吨，可用面积40平方米，内部容积约72立方米，装有导航、通信、姿态控制、气候环境调节等多种设备，设计寿命为15年，可在空间站建设初期用于提供电源和推动力。
同年12月3日，国际空间站的第二个组件“团结号”连接舱被美国的“奋进号”航天飞机携带发射升空。此后，俄罗斯负责建造的空间站的神经中枢——服务舱，美国负责建造的实验舱和欧洲、日本分别提供的其他实验舱也陆续被携带发射上天。按计划最后一个组件的发射时间定在了2004年的1月。
“曙光号”功能舱和“团结号”连接舱的成功发射，为这一浩大的世纪工程开了个好头。
冷战时期，国际航天领域的竞争一直十分激烈。20世纪80年代，美国的航天飞机穿梭于天地之间大出风头。而苏联的“和平号”空间站则成为了第一个太空工厂。不甘落后的美国于80年代初也提出了建造“自由号”空间站的设想，并邀请日本、加拿大和欧洲宇航局参加。但合作研究历时10年，耗资110亿美元，却没有造出一件东西。冷战结束后，克林顿政府提出，将“自由号”空间站发展成一个更大范围的国际合作的项目，并把空间站命名为“阿尔法”国际空间站，后来就干脆叫做国际空间站。除加、日和欧洲宇航局这几个原来的合作伙伴外，美国又将俄罗斯拉了进来。美俄等16国联合建造国际空间站，预示着世界航天领域一个新的时代的到来。
从总体上看，国际空间站由两大部分立体交叉组合而成：一部分是以俄制多功能货舱为基础，通过对接舱段及节点舱，将俄罗斯服务舱、研究舱、生命保障舱、美国实验舱、居住舱、日本实验舱，欧洲宇航局哥伦布轨道设施对接建成空间站的核心部分；另一部分是在美国的桁架结构上，安装加拿大的移动服务系统、舱外仪器设备（包括中国科研机构参加研制的“阿尔法”磁谱仪）和4对大型太阳能电池板。这两大部分垂直交叉构成“龙骨架”，从而加强了空间站的刚度，有利于各分系统和科研设备工作性能的正常发挥，而且宇航员进行出舱装配与维修工作非常方便，空间站的微重力环境与控制精度也达到最佳。
根据计划，国际空间站的建造分三个阶段，每一个阶段都建立在前一个阶段的基础之上：
国际空间站建造的第一阶段为准备阶段（1994～1998），主要内容是进行9次美国航天飞机与俄罗斯“和平号”空间站的对接飞行，送美国宇航员到“和平号”空间站上累计工作近3年，取得航天飞机与空间站交会对接以及在空间站上长斯进行生命科学、微重力科学实验和对地观测等方面的经验，培养美国宇航员在空间站上的生活和工作能力。对接飞行工作还使两国宇航员获得了共同处理问题的经验，也建立起良好的合作关系。此外，这一阶段的对接实验还使美国宇航局获得了长期在太空停留的经验，验证了俄罗斯研制的对接系统和航天飞机控制大型空间站姿态的能力，完成了降低装配风险的研究，试验了美俄地面控制中心之间交换数据的各种方法……
第二阶段为初期装配阶段（1998～2000），主要内容是建立国际空间站的核心部分，使空间站拥有初始的载人能力。美国气闸舱发射并在轨对接的完成，将标志着第二阶段的结束。
此时，国际空间站达到了允许3名宇航员在轨工作的水平，站上拥有13个科学实验机柜（可进行各种科学实验）和一对太阳能电池板（提供10千瓦功率）。
第三阶段为最后装配及应用阶段（21世纪初），主要内容是完成国际空间站的装配工作，达到允许6～7人长期在轨工作的能力。在这一阶段将先后发射和组装美国的桁架结构、太阳能电池阵和其他设施；俄罗斯也将同时装配桁架结构、太阳能电池板和研究舱等设备。我国参与研制的“阿尔法”磁谱仪定于2002年将被安装到国际空间站的桁架上。2004年1月美国居住舱在轨装配完毕后，国际空间站的建造工程即大功告成。它的大小将是俄罗斯“和平号”空间站的5倍。当它的太阳能电池板张开后，空间站的展开面积约有2个足球场那么大。空间站的封闭容积约为1300立方米，相当于两个波音747飞机的内部空间，内部气压保持在一个标准大气压。站上共有33个国际标准机柜和俄罗斯研究舱内的20个有效载荷机柜可供科学实验使用，工作寿命将达到10年～15年。届时，这座国际空间站将运行在倾角516°、距地球397公里的轨道上。
建造这座史无前例的“空间大厦”将使用美国航天飞机、俄罗斯“质子号”和“联盟号”运载火箭三种运载工具。由于它的全部总重量近430吨，所以美国和俄罗斯两国宇航员至少得进行43次太空飞行才能把各种部件送入太空轨道，然后还要进行1800小时共计144次的太空行走，才能将这些材料组装完毕。这将是过去40年俄美两国宇航员太空行走时间总和的两倍。为防万一，美国科学家还研制出一种救生艇，用于外挂在国际空间站上。当出现紧急情况时，宇航员可以乘坐它返回地球。
国际空间站不仅体积巨大，而且耗资惊人，据估计总共要花费各国的资金1000亿美元左右。
从某种意义上说，它是用大量的金钱砌起来的。美国科学家协会的航天政策主管约翰·派克评价说：“它是人类历史上最昂贵的工程。”
不过，国际空间站建成后，科学家们除了利用它研究人如何在太空安全、长期生存这一重大课题外，还要完成一些非常重要的实用课题。如在太空站从事优质高效药物、特殊聚合物、用于超高速电脑的半导体材料及高温超导材料的研制；空间站的实验舱还将进行一系列重要的科学实验。此外，科学家们还将进行一个非常有趣的试验，即在空间站上安装一个巨大的反射器。这个反射器计划长宽都设计为1万米，它所反射的阳光足以照亮地球上16万平方公里的范围。有关专家计算，这个空间“反射镜”可以帮助人类节约大量能源，10年省下的费用，足以回收它的建设投资。
到2000年11月，国际空间站第二阶段工作基本完成，第一批3名宇航员已经开始在轨工作，进行了一系列科学实验工作。