这是1975年“阿波罗-联盟”测试计划以来美国的首次载人航天飞行，发射日期也正好是苏联宇航员尤里·加加林第一次太空任务20周年。“哥伦比亚”号的这次试飞任务验证了航天飞机的可靠性。这次任务被命名为太空运输系统-1（STS-1），这种命名系统被一直延续了下去。但STS编号会与航天飞机发射顺序不一致，只是反映任务的规划顺序，而不是实际发射顺序。在1984年到1986年，NASA采用了一种不同的编号方案，STS后的第一位数字代表年份，然后跟一个代表发射场的数字（“1”代表肯尼迪航天中心、“2”代表范登堡空军基地），最后以代表年度发射任务顺序的字母为结尾。例如“STS-41-B”就代表1984年在肯尼迪航天中心进行的84财年第二次发射任务。
话题再转回STS-1任务，在升空过程中，两名航天员身着大卫·克拉克公司的S1030A弹射逃生套装（EES）宇航服坐在洛克希德公司制造的弹射座椅上。EES看起来很像SR-71“黑鸟”侦察机飞行员穿的增压服，而弹射座椅也是SR-71SR-1弹射座椅的改型，不过只能在相对较低的高度和速度下成功弹射。
STS-1任务历时两天。在任务结束时，轨道器转向以机尾前行的姿态，然后两台OMS轨道机动系统推进器点火降低轨道速度，然后轨道器再次转成机头向前。轨道器在距着陆点加州爱德华兹空军基地5635公里时以抬头姿态进入大气层，依靠机身下表面的隔热瓦来吸收大气摩擦热量。炽热的等离子体流笼罩着轨道器，导致通信中断十分钟。一旦轨道器冲出黑障，就开始了远程滑翔，直到最后降落在爱德华兹的干湖床上。
在发射前，杨被告知航天飞机发生严重事故的几率是50%，宇航员迈克·穆莱恩后来说：“杨和克里平就是小白鼠，完成了前无古人的任务。”STS-1任务大体令人满意，最糟糕的问题在SRB点火时震落了16片隔热瓦，损坏了另外148片。工程队立即着手解决此问题，随后“哥伦比亚”号被波音747航天飞机载机驼回肯尼迪航天中心。
身穿S1030A弹射逃生套装（EES）的宇航员
“企业”号驾驶舱内的弹射座椅
11月12日，“哥伦比亚”号在肯尼迪航天中心进行了第二次试飞，STS-2任务同样耗时两天，机组同样是两人，包括迪克·屈利和来自“阿波罗-联盟”测试计划的乔恩·格尔，这是他们两人的第一次太空任务，也是史上第一次同一航天器的第二次发射。
STS-2搭载了一些有效载荷进行实验，其中有航天飞机成像雷达（SIR-A）、货舱中的加拿大遥控机器人手臂系统（RMS，也称“加拿大太空臂”Canadarm）。这次任务前，“哥伦比亚”号的隔热瓦已经得到改进，所以没有脱落一片，但有16片损坏。
STS-2任务中，准备发射的“哥伦比亚”号
STS-2任务首次测试了加拿大太空臂
1982年NASA进行了另外两次试飞任务，首先是3月22日的“哥伦比亚”/STS-3。这次任务历时八天，“哥伦比亚”搭载了一个空间实验室托盘和“航天飞机学生参与计划（SSIP）”的第一个有效载荷，从此在未来航天飞机任务中，SSIP成为常见载荷，在激发青少年航天兴趣方面发挥了重要作用。
STS-3也是第一次使用无涂装外部燃料箱的任务。在STS-1和STS-2任务中，燃料箱被漆成白色，由于油漆增加了超过四分之一吨的重量，所以STS-3的外部燃料箱取消了油漆，呈现出橙色保温泡沫的底色。STS-3预定降落在爱德华兹空军基地，但由于洪水被迫降落到白沙，这也是航天飞机唯一一次降落在该地。航天飞机在任务中被轻微损坏，维修后被747运回肯尼迪。
STS-3任务首次采用了橙色外部燃料箱
航天飞机在任务中被轻微损坏，维修后被747运回肯尼迪
“哥伦比亚”/STS-4在1982年6月27日发射，任务历时7天。“哥伦比亚”号的货舱中搭载了一个秘密的军事载荷，同时也首次搭载了GAS小型自主装置罐子，从此这种罐子也成为航天飞机的常见载荷。
随着STS-4的归来，NASA宣布航天飞机投入服役。航天飞机在1982年11月11日开始了第一次正式任务，这次“哥伦比亚”/STS-5任务历时五天，把两颗通信卫星送入轨道，每颗卫星打开自己PAM助推器上升到地球静止轨道。在STS-5和之后的任务中，航天飞机放弃了弹射座椅和逃生服，机组们不再穿着特殊的防护服装，而是身穿蓝色NASA飞行工作服和大卫·克拉克公司发射/再入头盔（LEH），这为以后“挑战者”和“哥伦比亚”号的悲剧埋下了伏笔。
批评者认为四次试飞并不能证明航天飞机具有了服役资格，任何商用和军用飞机都要经过远为严格的试飞才能投入使用。
1986年，“挑战者”STS-51-L任务机组身穿蓝色NASA飞行工作服，手持大卫·克拉克公司发射/再入头盔（LEH）