空天母艦搭載的是能在太空作戰，也能在大氣層飛行的空天戰機。空天母艦是艦載機及動能武器、雷射武器等做主要武器並作其空中活動基地的大飛行器。
美國、俄羅斯、歐盟等國正在研發和設計中的「空天母艦」，是高超音速的空天運輸平台，有推進效率很高、燃耗很低、載荷量很大、飛行時間長等優勢，能實現全球範圍空天一體打擊。
「空天母艦」的長度可達300米，高度達50米，翼展超過150米，載荷量達到了空前800噸，全面超越當今的「空中大哥大」——空客A380。這種「空天母艦」最高時速為3萬千米每時，能在海拔200千米的繞地軌道安全飛行。
有人駕駛時，它能在常規機場水平起飛著陸，可在大氣層內飛行，因而「空天母艦」具有常規飛行器的氣動外形，但是它的飛行速度將史無前例的超過5馬赫(暫時無法實現)，比子彈要快，從美國首都華盛頓飛到日本東京僅需兩小時。
設想的「空天母艦」可進行大氣層外的軌道飛行。由於沒有空氣阻力，此時的飛行速度高達25倍音速，只需90分鐘能繞地球一圈，可實時到達地球上空任一個角落投入戰鬥，讓敵手無法做出反應。
空天母艦」的作戰模式不等於太空戰，也不等於空戰，而是一種跨形態戰鬥。它是一種快速反應跨大氣層飛行的運輸機，也是一種裝備有先進探測設備的飛行器，也可能是一種靈活和可重複使用的太空發射平台。在未來的空天一體化戰鬥中，它可以當作航空兵參加戰鬥，也可以作為「天軍」與太空「敵人」作鬥爭。它是一種比太空梭更為靈活的空天武器。
按照美國的新軍事戰略，今後可能會大幅削減海外駐軍，關閉海外基地，留下的空當將由遠程戰略武器來補充，未來的「空天母艦」可能是重要部分之一。
然而，無論是從效用性、時效性和應用範圍看來，還是從製造和使用的成本表現，「空天母艦」的未來角色，主要還在執行特殊任務，不能像普通軍用飛機批量生產和成建制列裝。具備空天飛機特徵的第六代通用戰鬥機，則更有實際意義。不過，如果航天科技進一步發達，用核聚變的發動機，那麼「空天母艦」的問題將迎刃而解。
長時間航行於空中的大型作戰武器，考慮到長時間航行的能量消耗和反應速度，機體可能考慮穿越過大氣層到外層空間，但是由此帶來的問題可能是外層耐熱材料的反覆作用。