航天服能够提供氧气供应、二氧化碳消除、压力供应、温度供应等多种新的功能。
设计师的设计初衷是希望在宇航服内部创造一个类似地球的环境，可以让人类相对安全地在太空中走动，这就需要提供一定的压力，以防止压力过高之后，身体内部的液体开始气化沸腾，宇航服本质上是一个充气气球，受一些橡胶织物的限制，一般是氯丁橡胶涂层纤维 ，就为宇航员提供了正常大气压下的工作环境；
由于太空中和人体之间的压力存在巨大差异，而低压会导致肺部和血液中的氧气浓度非常低，就像许多人攀登珠穆朗玛峰一样，这是非常危险的。因此，宇航服一般通过连接带将宇航员和背包中的氧气输送系统相连，为宇航员提供的是纯氧气氛。 因此，要想在航天服中安全呼吸纯氧，宇航员必须先“预呼吸”一段时间的纯氧，这种“预呼吸”消除了宇航员血液和组织中的氮，从而最大限度地减少了风险。
宇航员在航天服内部呼吸会呼出二氧化碳，而在防护服的密闭空间中，这种二氧化碳浓度过高会导致宇航员呼吸困难。因此，设计师必须考虑将二氧化碳从宇航服内部带走，而目前航天服经常使用氢氧化锂罐去除二氧化碳，这些罐通常被设置于宇航服的生命支持背包或航天器中，并通过管道与呼吸机相连。
为了应对外太空的极端温度，大多数宇航服都采用多层织物（氯丁橡胶、Gore-Tex、涤纶）进行高强度隔热，并在航天服外层覆盖反射层（聚酯薄膜或白色织物）以反射阳光。而宇航员从身体内部中释放的热量，将会导致头盔起雾以及宇航员严重脱水，为了避免这种现象，航天服还需要设置空气流动系统和换热系统。
