محطة الفضاء هي مبنى صناعي موجود في الفضاء ومأهول بالبشر، ومخصص لأغراض البحث. محطة الفضاء هي نوع من القمر الصناعي أو المختبر المتطور الذي يدور حول الكرة الأرضية. يمكث رواد الفضاء لأشهر طويلة أحياناً في محطة الفضاء، وهكذا يمكنهم تزويدنا بفكرة حول الحياة في الفضاء، مثلاً حول تأثير ظروف الحياة في الفضاء على جسم الإنسان ونفسيته. كما يتم في المحطة إجراء تجارب علمية وتسجيل قياسات ومشاهدات مختلفة. معظم محطات الفضاء هي قواعد ثابتة، تصل إليها كل عدة أشهر مركبات فضاء تحمل معدات ومؤن أو رواد فضاء. تلتحم مركبة الفضاء بمحطة الفضاء كي تتمكن من تفريغ حمولتها، والسماح بتبادل رواد الفضاء. عند الحاجة يخرج رواد الفضاء من المحطة للمشي في الفضاء – من أجل إجراء تصليحات في القسم الخارجي من المحطة مثلاً، أو من أجل توصيل قطع مختلفة بالمحطة، والتي تكون قد أطلقت إلى الفضاء بشكل منفصل. المحطة الأكثر نشاطاً اليوم هي محطة الفضاء الدولية، والتي يمكث ويعمل فيها رواد فضاء من دول مختلفة.
محطة الفضاء مكونة في العادة من عدة أقسام. يشمل قسم منها الحمامات وغرف المعيشة – تحتوي حجرات نوم أفراد الطاقم على أكياس نوم متصلة بالجدران، كي لا تطير خلال النوم. في قسم آخر توجد منطقة التحكم والرقابة، والتي تشمل الحواسيب ولوحات التحكم، والتي يمكن بواسطتها مثلاً المساعدة في توجيه المركبات التي تصل لتزويد المؤن. قسم آخر يضم المختبرات التي تجرى فيها التجارب العلمية. في محطة الفضاء هناك بالطبع مطبخ أيضاً، وفيه الطعام مغلف ومصنف، ومنطقة يتم فيها تخزين المعدات الأخرى، مثل الملابس، وأدوات العمل وبذلات الفضاء. جميع المعدات والأغراض في محطة الفضاء تقريباً مثبتة بالجدران كي لا تطير في الأرجاء، ويتم ذلك بواسطة أشرطة لاصقة على سبيل المثال.
المكوث في الفضاء وفي ظروف انعدام الجاذبية، أي الحالة التي تكون فيها قوة الجاذبية ضعيفة جداً، يؤثر كثيراً على جسم الإنسان. ولذلك يشدد رواد الفضاء في محطات الفضاء على التمرن باستخدام أجهزة تمرين خاصة، وذلك لتجنب بعض هذه التأثيرات، ومنها وهن العضلات والعظام. كما أنهم يقضون أوقات فراغهم في القراءة، ومشاهدة الأفلام، والتحدث مع عائلاتهم عبر الهاتف، ويفضل معظمهم مشاهدة الكرة الأرضية من الأعلى، والتعرف على القارات أو المناطق التي يتواجدون فوقها.
محطة الفضاء الأولى كانت "سكايلاب" الأمريكية التي أطلقت في العام 1973. وعملت حتى عام 1979، وفي هذه الفترة زارتها ثلاث بعثات من رواد الفضاء اجروا فيها تجارب علمية مختلفة. إحدى محطات الفضاء المشهورة الأخرى هي محطة الفضاء الروسية "مير"، والتي عملت بين السنوات 1984 وحتى 2001. وكانت محطة الفضاء الأولى التي كانت مأهولة طوال الوقت ولفترات طويلة. في عام 2011 أطلقت إلى الفضاء المحطة الصينية "تيانجونغ"، والتي يعني اسمها "قصر السماء". محطة "تيانجونغ" ليست مأهولة دائماً، وتستخدم في الأساس لاختبار طرق الالتحام في الفضاء وإجراء تجارب تكنولوجية مختلفة يحاول فيها الصينيون الاستعداد لاستخدام محطات فضائية أكبر وأكثر تعقيداً، والتي سيتم إطلاقها إلى الفضاء في العقود القريبة القادمة.