國際太空站計劃的前身是美國太空總署的自由号空间站，這個計劃是1980年代美國戰略防禦計劃計劃的一個組成部分。在1987年12月1日美國太空總署宣佈波音公司、通用電氣公司、麥道飛機公司和洛迪恩推進動力公司獲得了參與建造自由太空站的訂單。老布什執政期間，星球大戰計劃被擱置，自由太空站也隨之陷入停頓，1993年時任美國總統的克林頓正式結束了自由太空站計劃。冷戰結束後在美國副總統戈爾的推動下，自由太空站重獲新生，美國太空總署開始與俄羅斯聯邦太空局接觸，商談合作建立太空站的構想。
1998年11月15日國際太空站的第一個組件曙光號功能貨艙進入預定軌道，同年12月，由美國製造的團結號節點艙升空並與曙光號連接，2000年7月星辰號服務艙與太空站連接。2000年11月2日首批太空人登上國際太空站。
國際太空站的各個組件大多由美國太空總署的太空梭進行運輸，由於各個組件大多在地面就已經完成建設任務，太空人在太空只需要進行很少的操作便可以將組件連接上太空站主體。國際太空站完全完成之後，根據其設計共可以提供7名太空人同時工作和生活。
國際太空站的預算遠遠超過了美國太空總署最初的預計，其建造時間表也比預定的要晚，其主要原因是2003年發生哥倫比亞號太空梭失事事件之後，美國太空總署停飛了所有的太空梭。在太空梭停飛的兩年半時間裡，太空站的人員和物資運輸完全依賴俄羅斯的聯盟號太空船，太空站上的科學研究活動也儘可能地被壓縮了。按照預定計劃，太空站的建設將在太空梭重返太空之後在2006年恢復，但是在2005年7月發現號太空梭的STS-114飛行任務完成後，由於太空梭隔熱材料在升空過程中脫落，美國太空總署再次停飛所有太空梭，這使得國際太空站的建設時間表再次拖延。
2006年11月20日，國際太空站上的活動首次在地球上進行了高畫質電視直播，並在紐約的時代廣場大螢幕電視上播放。這是人類首次觀看到來自太空的高畫質電視直播畫面。直播節目的主角是國際太空站第14長期考察組指令長邁克爾·洛佩斯-阿萊格里亞，攝像師是站內的隨航工程師托馬斯·賴特爾。這套直播系統名為太空影片網關，直播的清晰度可以達到普通類比電視的6倍。[62]
2007年1月31日，國際太空站第14長期考察組中的兩名美國太空人洛佩斯-阿萊格里亞和蘇尼特·威廉斯成功進行超過7個小時的太空漫步。他們將命運號實驗艙的一個冷卻回路從臨時系統接入永久系統，完成了一些電路接線工作，使對接的太空梭能接入並使用太空站上新太陽能電池板提供的電力，將一個遮光反射罩和隔熱罩丟棄，然後將一組舊太陽能電池板上的散熱器回收[63]。2月4日美國東部時間上午8時38分，這兩名太空人再度出艙，進行約7個小時的太空漫步。他們將命運號實驗艙的另一個冷卻回路從臨時系統接入永久系統，對一個廢棄的氨水冷卻設備進行清理[64]。2月8日，這兩名太空人完成了6小時40分鐘的第三次太空漫步，將太空站外的兩個大型遮罩移除丟棄，並安裝貨物運輸機的幾個附屬裝置[65]。2月22日，國際太空站飛行工程師、俄羅斯太空人米哈伊爾·秋林和洛佩斯-阿萊格里亞進行一次6個多小時的計劃外太空漫步，修復了對接在太空站上的進步M-58飛船的一處未能收攏的天線[66]。
第23次任務合照
2007年10月30日[67]，美國「發現號」太空梭太空人日前為國際太空站重新裝配太陽能天線電池板時，電池板出現破裂，美國太空總署科學家檢視電池板破損處，瞭解造成原因。
2009年3月，美國太空總署網站開始線上直播國際太空站即時畫面，太空站工作人員睡覺或者下班的时候，全球網際網路用户可以通過網路欣賞太空站的直播影像[68]。
2012年5月31日，全球首艘造訪太空站的商業太空船——美国龍飞船成功返回地球，制造龍飞船的SpaceX與美國太空總署簽署了價值16億美元的合約，向太空站發射12次貨運太空船。
站體漏氣事件
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2020年9月29日，星辰號舱體出现漏气[69]。翌月19日，俄羅斯太空人阿纳托利·伊万尼申利用茶包里釋出的些許茶葉，讓其漂浮於星辰號的轉隔艙裡。隨後緊閉中轉隔艙口密封，再以攝影機監控茶葉於微重力下飄浮方向之移動軌跡，終於在靠近星號服務艙通訊設備附近一處牆上刮痕上找到洩漏點，太空人最後利用卡普頓膠帶（Kapton tape）修補了這個裂縫[70]。