SLS火箭计划分两阶段发展，SLS第一阶段的目标是发展出SLS Block 1火箭，使用航天飞机贮箱衍生的8.4米大直径贮箱，并使用航天飞机主发动机（SSME）作为芯级发动机，还捆绑两枚航天飞机技术衍生的固体助推器，只有过渡性上面级（ICPS）直接使用Delta IV火箭的第二级（DCSS）。SLS Block 1火箭的近地轨道运力70吨级，同时具备将大于27吨的载荷送入地月转移轨道（TLI）的能力。NASA后来表示SLS Block 1火箭的近地轨道运力是95吨，不过此举除了排行榜好看外并没有实际意义，毕竟这种火箭唯一的用途就是发射约27吨重的“猎户座”载人飞船。
SLS第二阶段发展目标是研制出SLS Block 2型号，但后来又出现了过渡性的Block 1B火箭。第二阶段的核心是新研制的大型低温上面级，它后来被称为探索上面级（EUS）。EUS使用8.4米直径的液氢贮箱，推进剂比5米直径的ICPS/DCSS多好几倍，它还使用4台RL10C-3氢氧发动机提高推重比。EUS的使用让SLS Block 1B火箭的近地轨道运力提高到105吨，而关键的TLI运力提高到38吨（载人）/42吨（货运），比SLS Block 1火箭运力提高了十几吨，为满足更大的需求奠定了基础。NASA还有继续研制SLS Block2的想法，它还将换上性能更强大的固体助推器，TLI运力对应增加到43吨和46吨，据称近地轨道运力可以提高到130吨级。SLS Block2火箭超过了“土星五号”当初的118吨低轨运力，并为未来载人火星任务发射大型模块奠定了基础。