NASAが運用中。ISS建設資材の大半を輸送するほか、7名の人員とロボットアームを搭載でき、特に建設初期段階では作業基地の役割も果たした。2010年に予定されている運行終了まで、建設資材と補給物資の輸送に使用される。人員交代にも使われるが、ソユーズ宇宙船を6箇月ごとに交換する際に人員交代も行えるため、補助的な役割にとどまっている。
日米欧の実験モジュールなど、ロシア以外の与圧モジュールはスペースシャトルで輸送される。このため、これらのモジュールは全てスペースシャトルのペイロードベイに合わせた寸法、形状、重量になっている。ただし、スペースシャトルの度重なる改良（主に安全性向上）により搭載可能な重量は計画当初より減少しているため、一部の大型モジュール（デスティニー、きぼう船内実験室）は船内機器の一部を別便で輸送せざるを得なくなった。
補給には、大きく分けて4つの方法を用いる。ひとつは、スペースシャトルの船内に補給品を搭載し、ドッキング装置を通して運搬する方法である。ドッキング装置の通路は直径60センチメートル程度と狭く、船内スペースを使用するため輸送力は小さいが、補助的に毎回使われている方法である。
2つめは、ペイロードベイにスペースハブ輸送モジュールを搭載する方法である。船内より多くの補給品を搭載できるが、やはり大きな物資は輸送できない。次のMLPMが導入されると使われなくなった。
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3つめは、ペイロードベイに多目的補給モジュール(MLPM)を搭載する方法である。MLPMはペイロードベイから取り出され、ユニティまたはハーモニーに直接結合される。サイズが大きい共通結合機構(CBM)を使うため、ISPRなど大型の機材を輸送できるほか、小型物資も広い通路を利用して効率よく搬入できる。作業終了後のMLPMはペイロードベイに戻されて持ち帰られる。（詳しくはMLPMを参照）
4つめは、ペイロードベイ内に露出した形で輸送する方法である。ISSの外部に設置するバッテリーやタンクなどの部品を交換する際には、アダプターを使用して搭載する。
ロシアが運用中の3人乗り有人宇宙船である。ISSに非常事態が起きた際の脱出用救命ボートの役割を果たしている。この用途に対しては、アメリカが乗員帰還機(X-38 CRV)を開発して置き換える計画だったが、こちらは中止された。2008年現在、ISS長期滞在は3名なので、ソユーズが常時1機備え付けられているが、将来6名に拡張されるとソユーズも2機常備されることになる。緊急時に利用しやすいよう、ISSの中央に近いザーリャ前方の地球側にドッキングするが、2機に増えた場合はさらにズヴェズダ前方も利用する。ズヴェズダの後方はISSの末端にあたるので、通常は利用しない。