תחנת חלל היא פלטפורמה קבועה בחלל, המשמשת את האנושות לצרכים שונים.
תחנת חלל נבנית למגורי אדם לזמן ממושך, ולכן משולבים בה אמצעים שונים לסיפוק צורכיהם של המתגוררים בה. תחנות חלל מאפשרות לערוך מחקר האורך זמן רב, ובעזרתה בודקים את ההשפעות השונות על אדם השוהה זמן רב בחלל.
תחנות החלל ששוגרו עד עתה נחלקות לשני סוגים: התחנות הראשונות ששוגרו,סאליוט וסקיילאב, היו "מונוליטיות", הן יועדו להיבנות ולהישלח לחלל בחתיכה אחת, ומאוחר יותר להתאכלס בצוות. הן כללו בדרך כלל את האספקה ואת ציוד הניסוי בשיגור, וכאשר אלה אזלו, נחשבו התחנות בזבזניות וננטשו.
החל מסאליוט 6 ו־7, נראה שינוי: תחנות חלל אלה נבנו עם שתי יציאות עגינה, דבר שאיפשר לצוות שני לבקר ולהביא חללית חדשה (מסיבות טכניות, קפסולתסויוז לא יכולה להיות למעלה ממספר חודשים במסלול אף אם תכובה) איתם. הדבר איפשר לצוות לאכלס את התחנה ברצף. הופעת יציאת עגינה שנייה איפשרה גם לרכבי אספקה מסוגפרוגרס לעגון בתחנה, וכך היה ניתן להביא אספקות טריות לעזרת משימות ממושכות. רעיון זה הורחב בסאליוט 7.
הקבוצה השנייה,מיר ותחנת החלל הבינלאומית, היומודולריות: יחידת ליבה שוגרה, ומודולים נוספים, בדרך כלל עם מטרה ספציפית, הוספו אליה מאוחר יותר. שיטה זו מאפשרת גמישות רבה יותר בפעולה, כמו גם הסרת הצורך ברכב שיגור חזק מאוד אחד. תחנות אלו גם תוכננו מראשיתן שיקבלו את האספקה שלהן בסיוע לוגיסטי, שמאפשר זמן חיים ארוך יותר במחיר של צורך בשיגורי סיוע סדירים.
כמה תחנות חלל תוכננו למגורי בני אדם רבים לזמן ממושך, בעיקר "ערים בחלל", אך נכון להיום עדיין לא קיימת אףמושבת חלל ולא נשקל ברצינות יישום ממשי שלהן.
כל התחנות שהוזכרו עד כה, ואכן כל התחנות שנבנו עד היום היו במסלול נמוך סביבכדור הארץ, בו היו כל משימות החלל המאוישות מלבד למשימות הירחיות של תוכנית אפולו. כיום מתוכננת תחנת חלל בשםLunar Gateway תחתתוכנית ארטמיס, אשר תיבנה במסלול אליפטי מיוחד סביב הירח, ומטרתה להנגיש את הירח ולאפשר מחקר הקשור במגורים ומסע מאויש בחלל העמוק, אשר יהיה הכרחי למשימות עתידיות למאדים, וליעדים נוספים במערכת השמש. תחנה זו קשורה לתוכנית ארטמיס, ומתוכננת על ידי נאס"א, יחד עם סוכנות החלל האירופית, סוכנות החלל הרוסית, סוכנות החלל היפנית, ושותפים נוספים, ומתוכננת להסתמך במידה רבה על שירותים מסחריים לבנייתה ואספקתה, לצורך עידוד פיתוח תעשיית החלל.
כמו כן, כל התחנות עד היום נבנו על ידי סוכנויות חלל לאומיות, ותפקידן העיקרי היה מחקר מדעי. בשנים האחרונות חלה צמיחה בתחום התעשייה הפרטית בחלל, וחלק ממנה בא לידי ביטוי בתכנונים לתחנות חלל מסחריות. נאס"א הקצתה שימוש באחד מהחיבורים לתחנת החלל הבינלאומית לבניית תחנת חלל מסחרית, ובתחרות לבחירת החברה שתבנה אותה זכתהAxium Space, שמתכננת בניית תחנה מסחרית, אשר בהמשך תתנתק מתחנת החלל הבינלאומית ותפעל באופן עצמאי, למחקר תעשייתי ולצורכי תיירות חלל.
