Các tàu vũ trụ phải chịu một loạt các biến thể nhiệt, áp suất và gia tốc và các vật liệu mà chúng được chế tạo, chủ yếu là titan, vanadi và các vật liệu tổng hợp tinh vi, phải chịu được những điều kiện khắc nghiệt này mà không bị hỏng cấu trúc. Ngoài ra để trở nên mạnh mẽ, vật liệu của tàu vũ trụ cũng phải nhẹ, vì chi phí nâng tải trọng vào không gian là một trong những yếu tố hạn chế lớn trong các nhiệm vụ.
Theo nhiều cách, titan là một vật liệu lý tưởng để chế tạo tàu vũ trụ. Nó mạnh, nhẹ và chịu được các biến đổi nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt. Tuy nhiên, có những giới hạn đối với những gì titan có thể chịu đựng và NASA luôn sẵn lòng sử dụng những vật liệu kỳ lạ hơn rất nhiều để chế tạo các tàu thăm dò và phi thuyền của phi hành đoàn.
Vật liệu composite là những lựa chọn phổ biến cho các giá đỡ kết cấu và tấm thân máy bay. Vật liệu tổng hợp, chẳng hạn như sợi carbon và tấm Kevlar, có thể được tổng hợp để đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe và được điều chỉnh theo các thông số kỹ thuật chính xác của cấu kiện đang được chế tạo.
Nhôm cũng là một thành phần phổ biến của các hệ thống tàu vũ trụ thứ cấp. Giống như titan, nhôm nhẹ và bền, mặc dù không ở mức độ tương tự. Bình nhiên liệu bên ngoài mà tàu con thoi sử dụng được làm chủ yếu bằng nhôm, mặc dù nó không bắt buộc phải di chuyển vào không gian với tàu con thoi.
