Zum Verlassen der Umlaufbahn wird die Raumfähre entgegen der Umlaufrichtung gedreht, und die OMS-Triebwerke werden für ungefähr 3 Minuten gezündet (sog. deorbit-burn). Dadurch wird das Space Shuttle um etwa 300 km/h verlangsamt, verlässt die bisherige Umlaufbahn und bewegt sich aus ihrer Kreisbahn in eine ellipsenförmige Bahn mit einem Perigäum von 80 km ein. Damit tritt sie in die äußeren Schichten der Atmosphäre ein und wird dort weiter abgebremst. Nach dem Abschalten der Triebwerke wird die Raumfähre mit ihrer Nase wieder in Flugrichtung gedreht, damit sie in die Atmosphäre eintreten kann. Von nun an kommen die Triebwerke nicht mehr zum Einsatz, auch Anflug und Landung erfolgen antriebslos.

Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wird die Raumfähre durch spezielle Hitzeschutzkacheln an der Front- und Unterseite vor den extremen Wärmeeinwirkungen von bis zu 1650 Grad Celsius geschützt.
 
Bereits kurz nach dem Wiedereintritt, noch mehrere hundert Kilometer entfernt, erhält sie von der vorgesehenen Landebahn Leitsignale. Die Besonderheit bei der Rückkehr ist, dass der Space Shuttle im Gleitflug antriebslos zur Erde fliegt und somit nur einen einzigen Landeversuch hat. Dabei beträgt der Gleitwinkel beim Aufsetzen ca. 17 bis 18° während er bei Verkehrsflugzeugen um die 2 bis 3° liegt.

Schlechte Wetterbedingungen am Hauptlandeplatz machen es mitunter erforderlich, auf günstigere Orte auszuweichen. Grundsätzlich ist das Kennedy Space Center in Florida das primäre Landeziel. Dort befindet sich die sogenannte Shuttle Landing Facility, eine 4,5 km lange und 90 m breite Landebahn, die eigens für die Rückkehr der Orbiter aus dem Weltraum gebaut wurde.

Wenn das Wetter eine Landung in Florida unmöglich macht, stehen der NASA zwei Alternativen zur Verfügung (in dieser Reihenfolge): die Luftwaffenbasen Edwards (Kalifornien), wo auch die Erprobung der damals neuentwickelten Raumfähre durchgeführt wurde, sowie White Sands (New Mexico) (bisher nur eine Landung 1982).

Daneben gibt es rund um die Welt weitere Notlandeplätze für die Startphase und den weiteren Missionsverlauf. Es wird unter anderem unterschieden in East Coast Abort Landing Sites (ECAL, USA und Kanada) und Transoceanic Abort Landing Sites (TAL, hauptsächlich Europa und Westafrika). Beispiele sind der Flugplatz Ingolstadt-Manching bei Ingolstadt, der Köln/Bonner Flughafen und jener von Riad (Saudi-Arabien). Sollte es erforderlich sein, dass der Shuttle an einem anderen Ort landet als in Florida, wird er huckepack auf einer modifizierten Boeing 747 (dem sogenannten Shuttle Carrier Aircraft, SCA) dorthin zurücktransportiert. Um die Aerodynamik bei diesem Manöver zu verbessern, wird am Heck des zu transportierenden Shuttles eine nach hinten spitz zulaufende Abdeckung angebracht, die die Triebwerke des Shuttles verdeckt.

Quelle:http://de.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle