Na wysokości kilkunastu kilometrów SpaceShipOne odłącza się i odpala swój silnik rakietowy. Wykorzystując jego ciąg pojazd wznosi się w kosmos.
Szczególną cechą SpaceShipOne są skrzydła o zmiennej geometrii. Podczas początkowej fazy wejścia w atmosferę skrzydła nie są ustawione wzdłuż samolotu, tylko prostopadle. Dzięki temu w rzadkich zewnętrznych warstwach atmosfery zwiększa się opór i pojazd szybciej redukuje swoją prędkość. Na mniejszej wysokości skrzydła powracają do horyzontalnego ustawienia, dzięki czemu zapewniają SpaceShipOne pełną manewrowość oraz siłę nośną. W takiej konfiguracji pojazd może wylądować na pasie zwykłego lotniska.
Kabina SpaceShipOne zapewnia miejsce dla trzech ludzi, w tym pilota. Aby zredukować naprężenia występujące w kadłubie, pojazd posiada zamiast wielkiej przeszklonej kabiny, szereg okrągłych wizjerów, które pozwalają na obserwację otoczenia. Nadają mu one bardzo charakterystyczny wygląd. SpaceShipOne, w odróżnieniu od większości tradycyjnych statków kosmicznych, jest w znacznej części swojej podróży pilotowany przez człowieka.