As naves espaciais estão sujeitas a uma gama de variações térmicas, de pressão e de aceleração, e os materiais com que são construídas, principalmente titânio, vanádio e compostos sofisticados, devem resistir a esses extremos sem falha estrutural. Além disso para serem fortes, os materiais da espaçonave também devem ser leves, já que o custo de içar cargas úteis para o espaço é um dos principais fatores limitantes nas missões.
O titânio é, em muitos aspectos, um material ideal para a construção de naves espaciais. É forte, leve e tolerante a variações extremas de temperatura e pressão. Existem limites para o que o titânio pode tolerar, no entanto, e a NASA sempre esteve disposta a usar materiais muito mais exóticos na construção de suas sondas e espaçonaves tripuladas.
Os materiais compostos são escolhas populares para suportes estruturais e painéis da fuselagem. Compósitos, como fibra de carbono e folhas de Kevlar, podem ser sintetizados para atender aos padrões exigentes e ser ajustados às especificações exatas do componente que está sendo construído.
O alumínio também é um componente comum de sistemas de espaçonaves secundárias. Como o titânio, o alumínio é leve e forte, embora não na mesma extensão. O tanque de combustível externo usado pelo ônibus espacial é feito principalmente de alumínio, embora não seja necessário viajar todo o caminho para o espaço com o ônibus espacial.
