“空间实验室”是一种载人的、可重复使用的、费用低廉、多用途的实验室。室内充一个大气压的氮氧混合体，带有多种实验仪器设备和一个U形实验工作台。它是航天飞机最重要的有效载荷。“空间实验室”可重复使用50次左右，工作寿命为10年。它被航天飞机运载到近地轨道后，只能附着在航天飞机上一起飞行并一起返回。“空间实验室”的实验人员也需要在航天飞机的座舱内生活、休息、睡眠和进行其他活动，工作时经过气闸舱和专门通道到实验室去工作。实验室中的能源、数据传输、冷却等系统都利用航天飞机上的相应分系统，不再单独配备。这样，可以充分地利用和发挥“空间实验室”的效用，使“空间实验室”可以进行纯实验性工作，许多服务性的工作均由航天飞机的各个分系统提供。因此，“空间实验室”虽然比天空实验室小得多，但它与航天飞机相结合，却可以成为一个高效率的空间科学实验装置。
“空间实验室”的设计必须与航天飞机相适应，例如实验室的最大外部尺寸绝不能超过货舱45米×18米的尺寸。实验室的基本设计思想之一，是采用积木式结构，以使实验设备易于更换，适于进行多种科研任务。为了使“空间实验室”适应多次重复使用的要求，必须把它设计得具有最大的适应性和灵活性。例如实验室不仅能容纳许多小型实验仪器，而且能装载大型实验设备，既能把各种研究和实验设备装到实验室中的一间空调舱内，也能把全部实验设备暴露于宇宙空间。
“空间实验室”主要由2个基本部件所组成。一是加压舱，一是暴露在空间的U形工作台。这2个部件既可单独使用，也可联合使用。这样，方案中的“空间实验室”可以组成13种结构形式，一般情况下，我们所说的“空间实验室”是由加压舱、U形台、与航天飞机相连接的供应管道、通道和圆顶舱组成。
加压舱是由1个或几个直径为41米，长27米的加压圆柱体构成。加压舱是铝制结构。它可以分成1个核心段和几个实验段。核心段的前部装有实验室的全部操作仪器，诸如监视压力、温度等环境的控制仪器，接受科学技术数据的指示和自动记录仪器等。核心段的后部装有探测设备。实验段用来提供更大的工作空间并装置研究和实验设备，还有观测窗口和一个1米直径的试验气闸隔舱。加压舱外壁有隔热层，以防强烈的热辐射和微流星的损伤。整个加压舱是密封的，舱内装有生命保证和环境控制系统，所以舱内具有和地面一样舒适的环境，实验人员如同在地面上厂样，可以不穿宇宙服工作。
U形台是一个U字形轻型结构平台，是由铝合金蜂窝夹层结构制成。它的任务是把需要在真空环境中进行试验的研究和实验设备直接暴露在空间。U形台长29米，最大直径为377米。U形台可用单台、双台、最多可连接5个平台，在航天飞机的货舱内形成一个长形实验台。U形台的内、外壁夹层中装置电缆、变换器和配电盘等技术装备。这样，U形台内部完全用于安放直接暴露在空间环境的各种科学仪器。如望远镜、照相机、雷达、天线、辐射计等。仪器可以固定在夹层的内壁上或固定在预定的载荷处。
当“空间实验室”不携带加压舱时，就在U形台装置一个圆顶舱。圆顶舱内的环境是可以控制的，压力为一个大气压，温度可在18～27℃之间调节。圆顶舱直径为1米，长25米。科研人员可在圆顶舱内操作仪器设备。如果还需要安装在常压下工作的仪器，可在U形台上再增设一个加压的圆顶舱，以供使用。
通道是供宇航员和科研人员来往于航天飞机座舱和“空间实验室”之间的过道。它由若干圆柱段和两个活动的连接环组成，通道的内径为1米，可允许穿着宇宙服、身高195米、肩宽75厘米的人通过，可以运送127米×056米×056米的设备通过通道。两个密封门，一个在航天飞机上，一个在“空间实验室”上，把通道完全密封起来。通道内设有照明设备。
“空间实验室”的生命保证系统，主要是装在加压舱底座下面的大气和温度控制两个分系统。空间实验室中的氧气也是由航天飞机供给，然后与实验室生命保证系统本身的氮，按比例混合。
“空间实验室”的电源主要由航天飞机供给，所供给的电源直流的为28伏，交流的分别为115和200伏，频率400周。共计36～51千瓦。如果实验室需要更多的电能，可以在实验室内增带一些电池组。
“空间实验室”的数据处理系统主要设有3台计算机，其中两台分别处理实验室各分系统的数据和处理研究与实验的数据，另一个备用。计算机的速度为每秒50万次。
“空间实验室”可容纳2至4名科研人员，它的性能有类似于前苏联“礼炮”号空间站之处。