Las colonias espaciales propuestas se pueden dividir en tres categorías generales; colonias en satélites o asteroides, colonias en otros planetas (aunque no se podrían considerar estas “colonias espaciales”, per se) y colonias espaciales completamente artificiales.
Los escritores de ciencia ficción han discutido estas posibilidades casi desde el comienzo del oficio en sí. Por ejemplo, en 1869, Edward Everett Hale escribió The Brick Moon, una historia sobre una estación espacial artificial hecha de ladrillo. En 1929, el Dr. John Desmond Bernal concibió la esfera de Bernal, una colonia espacial giratoria con un diámetro de aproximadamente 15 kilómetros (9.3 millas), llena de aire y colonizada alrededor del ecuador, donde la rotación de la colonia crearía una fuerza centrífuga para simular la gravedad de la Tierra.
En los años 60 y 70, la especulación y la investigación sobre la posibilidad de colonias espaciales experimentaron un renacimiento, provocado por la Carrera Espacial. Uno de los pensadores más destacados que participaron en el diseño y la defensa de las colonias espaciales fue el físico de Princeton Gerard O’Neill, quien en 1969 hizo la provocativa pregunta: «¿Es la superficie de un planeta realmente el lugar adecuado para una civilización tecnológica en expansión?» A lo largo de los años 70, O’Neill dirigió talleres que investigaron con gran detalle varios diseños propuestos de colonias espaciales. Un estudio de verano de la NASA en 1975 investigó tres diseños principales, denominados Isla Uno, Isla Dos e Isla Tres. Los tres se basan en la premisa de una ecología artificial autosuficiente dentro de la estación, llamada arcología.
La Isla Uno era la esfera de Bernal, un diseño cerrado (bueno para proteger contra la radiación), excepto los postes, que se dejarían abiertos para permitir que los espejos redirigieran la luz solar desde el exterior hacia el interior de la colonia. La Isla Dos era el toro de Stanford, un toro de una milla de ancho que giraba para producir gravedad artificial en el lado interior del anillo. El centro del toro podría servir como una estación de acoplamiento conveniente para las naves espaciales que se acercan a través de los polos. La Isla Tres era el cilindro O’Neill, un tubo giratorio diseñado para albergar a 10,000 personas. Este diseño es probablemente la colonia espacial más popular representada en ciencia ficción.
Los diseños que no giran generalmente se presentan con la condición de que los humanos y nuestras ecologías de apoyo puedan adaptarse o ser rediseñados para funcionar en gravedad cero continua. Esta posibilidad es atractiva porque los diseños que carecen del requisito de la gravedad artificial pueden aprovechar más un volumen dado de espacio y material. El autor Marshall T. Savage propuso la idea de las burbujas inflables en su libro The Millennium Project, unidades modulares que usarían una capa de agua como protección contra la radiación y estarían conectadas entre sí en vastas redes abiertas. En lugar de depender de trabajadores humanos para la fabricación e instalación, las colonias espaciales avanzadas podrían emplear robótica avanzada para mantener colonias espaciales y crear otras nuevas.
Se reconoce comúnmente que algún día se crearán colonias espaciales, ya sea por razones comerciales, militares, económicas o personales. Si las colonias espaciales poseen la capacidad de producir nuevas colonias espaciales y viajan largas distancias para obtener recursos para este propósito, el resultado final podría ser la colonización de la totalidad de nuestro universo habitable. Este proceso comenzaría con la creación de la primera colonia espacial autosuficiente, un evento que muchos consideran probable que suceda antes del año 2040.