载人空间站的容量大、寿命长、载人多以及可综合利用等特点，使其拥有了巨大的军事应用潜力。
对地观测与侦察
空间站地处数百千米的太空，居高临下、俯瞰全球，宇航员可在空间站上利用各种观察和探测仪器，可动的对地球上的任何特定目标进行有选择的侦察与探测，从而克服单纯靠仪器侦测手段不便机动的缺点。苏联和美国宇航员经常发现：用肉眼能观察到的目标却不能在侦察卫星拍摄的照片中找到。同时，从空间站上获取的情报又可通过通信卫星系统及时传回地面，这就大大加强了情报的时效性，有效地提高了对地面部队的支援和保障能力。
苏联航天员在空间站上曾多次根据地面指令用MKF-6M相机拍摄指定目标地区。除MKF-6M多光谱相机外，“礼炮”7号上的航天员还使用KT-140立体照相机及其它观测设备进行侦察活动。这些高分辨率侦察设备焦距长达10米，多镜头摄像系统焦距达到30-300毫米，此外还装备有多光谱相机、红外线及微波传感器等设备，其拍摄地面目标获取了大量地面照片，为军事目标的识别、定位和测绘提供了大量有价值的资料。除了借助仪器观察外，航天员还同时对地面和海洋进行肉眼观察。航天员在观察陆地时，可以看到公路上行驶的车辆、车站、国防与工业设施、森林火灾等。苏联还安排过利用航天员观察地球海洋中浮游生物的生物发光现象的科研项目。浮游海洋生物因遇到潜艇运动使海水温度迅速变化而产生发光现象，使海洋表面出现发光带，以此可判断下潜潜艇的存在和航迹。
军事判读专家在空间站实施侦察，可以根据战略战术意图进行情报预处理，可以根据侦察地带的气候条件及信息是否有用，决定摄像机的开关，使侦察更有选择性和针对性，从而提高工作效益。例如，美国“天空实验室”证明人在太空中对地面进行军事和科学观察有很多优越性，可以对目标区进行选择，尽可能避开云层，随时调整仪器，大大减少传送到地面的观察数据。类似的海洋监视卫星在天上工作1秒，传送到地面的数据需要计算机处理1小时。而由人来观测，经过对目标区域的预先选择，记录和传送的数据少而精，使数据处理大为简化。
此外，由于空间站轨道特殊，其可以在较近的时间重访同一地点，这为连续侦察监视热点地区创造了条件。例如，“礼炮”7号飞行轨道的地面轨迹是每隔两天重复一次，所以每隔两天就可重复拍摄同一地区。通过同一地区的新旧照片比较，可及时发现目标的新变化。毋庸置疑，苏联空间站在对地观测活动中军事部分占有很大比重。
战略预警与监视
随着战略核武器的进一步完善，现代战争特别是现代核战争的突然性已经大大增加，为此各国都在大力提高战略预警能力。目前所常见的预警设施包括地面远程雷达、机载和舰载预警雷达等多种，而空间站在这方面有得天独厚的优势。航天员可以在空间站上持续地对地面进行监视与观察一些有军事价值的活动现象。例如，能够发现对方发射火箭的情况，警戒其发射的导弹，对发射出的火箭进行持续跟踪，并把发现和跟踪的结果迅速传送到地面站，以便及时做出反应。1965年，美国在“双子星”7号飞行时曾进行过一次非常成功的军事侦察试验。两名航天员在飞行中使用一种红外遥感仪，对从下潜的“富兰克林”号潜艇上发射的一枚“北极星”A-3导弹进行跟踪观察，长达3分钟，在跟踪过程中，一名航天员用手操纵飞船姿态，使遥感仪对准目标，另一名航天员用摄影机对导弹进行摄影。他们观察得非常清楚，并及时向地面报告了导弹助推器分离的情况。苏联在“礼炮1”号试验中就进行过导弹发射观察试验。1985年1月，美国航天飞机执行第15次飞行任务时，苏联“礼炮”7号空间站从发射“发现者”号的39号A发射台头顶上飞过，观测了美国航天飞机的发射。同样道理，在空间站上还可以观测反弹道导弹的试验全程，从反弹道导弹的发射到对再入大气层的敌方弹头的拦截，进行全过程观测，以评估拦截效果。可见，空间站与地面、航空、卫星等预警系统配合工作，可构成严密的战略预警网，大大提高战时的快速反应能力，未来的战争预警有希望阻止敌人发动突然袭击，空间系统与即将开发的技术相结合将能观察地球表面上任何敌方，以至没有任何国家能发动战略奇袭。
天基军事部署与作战
空间站既可用作部署各种空间武器的作战平台，也可用来作为航天飞机的停靠与起降基地，因此被人称为“不落的航天母舰”。各种空间武器和航天飞机可以以空间站为基地用导弹、火箭和定向能武器打击对方的种种空间兵器和航天飞机，进行航天兵器之间的太空大战。空间站甚至可能成为未来“天军”的出击基地，直接对敌方的地面目标进行打击。以空间站为基地的各种空间兵器和航天飞机还可对敌方的各种工作卫星进行拦截、捕获和破坏。例如，1982年5月17日，苏联从“联盟”号飞船进入“礼炮”7号空间站的飞行员，在站上发射了“火花”2号和“火花”3号2颗小型实验卫星，这些载荷也可以作为武器使用。
此外，动能武器和激光、粒子束等高能武器，若从地面发射，由于受大气层的吸收，能量衰减较大。如果将这些武器部署在空间站上，对敌方飞行器实施攻击时基本上是在大气层外传输，能量衰减很小，又利于对攻击目标的跟踪和瞄准。尽管将这些武器部署在空间，设备复杂，技术难度大，但能充分发挥武器系统的最佳效能。苏联空间站上的航天员曾利用特殊的传感器来观察苏联地基激光武器的活动情况，苏联“礼炮”7号和美国航天飞机都进行过轨道激光跟踪目标的试验。
实际上，空间站发展起来的太空交会与对接技术在军事上也有巨大的应用潜力。在太空中利用该技术可以接近敌方卫星、空天飞机等设施，实施摧毁，甚至俘获行动。这是美国近年利用卫星进行的太空演示技术的一部分。
天基作战通信与指挥
指挥机构历来是进行战争的首要条件，因此也是敌方打击和破坏的首要目标。在核条件下，各国都十分重视指挥机构的生存性，不少国家已先后建立了空中预备指挥所、地下预备指挥所和海上预备指挥所。随着空间站技术的发展和完善，在空间站上建立太空预备指挥所已成可能。由于空间站地处数百千米的太空，又有完善的指挥、控制与通信系统，并且能在太空中较长时期的运行，因此美苏各国从开始研制空间站的第一天起便十分重视这种功能的发挥。早在60年代，美国就曾利用载人航天活动探索过人在天上的指挥与控制能力。1978年由美国空军发起的一项专门研究指出，国防部除了要利用航天飞机做人们经常提到的那些事情外，还可以利用航天飞机在紧急情况下作天上指挥所。苏联的“礼炮7”号空间站也曾多次参与陆海空军的军事演习，进行侦察、指挥与控制。苏联“礼炮”空间站曾观察苏军在演习过程中为隐蔽行动而释放烟雾的效果，其中包括利用燃料在空中爆炸所产生的气体和油雾的效果。训练中由航天员进行监视与评估，以协助指挥与控制。在海军演习训练中，获取海面舰艇活动情报并指挥训练。