天空实验室是美国的空间站计划，在1973年到1974年间一共进行了1至4号任务，除1号任务中发射的空间站核心部件外其余皆为往返于空间站的太空船任务。

1966年美国提出土星S-IVB级箭体试验模块（SSESM，Saturn S-IVB spent-stage experiment support module）方案，用土星5号火箭的第三级箭体改造为空间站主体，SSESM在竞争中落败于载人轨道实验室(MOL)方案。

1969年MOL被取消。由于阿波罗18到20任务的取消，NASA空余出三枚土星5号火箭，于是SSESM改为“天空实验室”。

20世纪70年代美国在结束阿波罗项目后，预算削减同时投入重点转向航天飞机项目，对比空间站项目的进度和能力，美国同期在空间站技术上仍然领先于苏联。

1973年5月14日，美国在肯尼迪宇宙中心发射的第一个轨道空间实验室是人类迄今向近地轨道发射的人造天体中重量和容量最大而又最复杂的一个。天空实验室使用土星INT-21火箭发射进入高度为435千米的近地圆轨道。同年还先后发射了3艘阿波罗飞船与天空实验室对接，这3艘飞船分别称为天空实验室-2、3、4。

天空实验室在起飞63秒后，由于其微流星/阳光防护罩以及一个太阳电池翼被高速气流冲掉，致使舱内温度急剧上升。入轨前出现故障。

1973年5月25日，一艘阿波罗飞船（天空实验室-2）载3名航天员与天空实验室对接，航天员用一顶遮阳帆挡住阳光，使实验室内温度下降，并展开了另一个被卡住的太阳翼，天空实验室得以正常工作。

1973年5月25日、7月8日和11月16日美国分别进行了三次阿波罗飞船发射均成功与天空实验室对接，每次任务三名航天员，三次任务中九名总计在空间站生活171天。

1974年2月8日第三次天空实验室飞行任务的航天员着陆，此后天空实验室关闭，虽然NASA曾计划使用航天飞机为天空实验室加注燃料重启空间站，但由于大气阻力超过预期。

1979年7月11日，地面操作人员向天空实验室发出最后一次指令，使它安全地飞过北美大陆上空人口稠密地区然后返回地球。天空实验室接到指令后，便象一条火龙划破长空，穿过大气层，最后化成无数碎片坠落在澳大利亚西部地区和南印度洋。至此，它在宇宙空间运行了2246天，绕地球3.4981万圈，航程达14亿多公里。

“天空实验室”在离地面430千米的轨道上运行。它里面有实验室、生活区、食堂、厕所，还有专供航天员锻炼身体的“健身房”，三四个人在这里生活是很适宜的。“空间实验室”的前端有好几个对接装置，可以同时和几艘飞船对接。

“空间实验室”有左右两块较大的太阳能电池翼板。其中，一块太阳能电池翼板在上升过程中被气流冲刷掉了，另一块太阳能电池翼板在“实验室”入轨以后又出了故障，伸展不开，使得“实验室”电力几乎完全丧失。这个耗资20多亿美元的太空实验计划，面临着夭折的危险。

“天空实验室”是一种试验型的空间站，到1974年2月，共进行过4次发射。其中仅有一座发射成功，在太空先后接待了乘“阿波罗”飞船的3批共9名宇航员驻站工作和生活，分别以28天、59天和84天共计171天进行较长期的太空飞行，共完成科学实验工作270多项，取得了明显的科研成果，而且还进行了与军事有关的任务，主要是考察军人在太空长期生活和工作的状况，证明宇航员完全适应在太空执行某些军事任务，同时还进行了一些秘密军事任务。这座空间站在太空的10个月中接待3批宇航员之后便废弃不使用了。6年后的1979年7月11日“天空实验室”空间站进入大气层烧毁陨落。

三批航天员共进行了28项科学实验，拍摄了4万多张地球照片和128万多张太阳照片，录制了3万多米的录像磁带。其中有三项饶有兴趣的太空飞行试验：第一项是背一个背包式推力器在实验室内四处飞行；第二项是在实验室外面用新的喷气枪喷气产生反作用力来帮助飞行；第三项是让航天员穿上一种喷气鞋，以帮助航天员向前、向后、向上和向下飞行，就像中国古典小说中描写的那个脚踩风火轮的哪吒一样。