IXV liknar en mindre robotstyrd version av USA:s rymdfärja, och skulle kunna förse Europa med ett eget system för vidareutnyttjande av omloppsbanor.
Den sprängdes på en Vegaraket från Sydamerika strax efter 13:40 GMT.
Testdatan kan också ge information om framtida Mars-landningsteknik.
Demonstratorn flög österut runt jorden, innan den kom ner i vattnet väster om Galapagosöarna omkring 15:20 GMT.
Den kilformade IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) var utformad för att samla information om hur rymdföremål faller tillbaka till jorden.
Esa, generaldirektör Jean-Jacques Dordain, kommenterade flygningen och sade: "Det kunde inte ha gått bättre.
"Men själva uppdraget är inte över eftersom det nu är nödvändigt att analysera alla data som samlats in under flygningen."
Vid den tiden båten åter in i atmosfären, var det rör sig på 7,5 km/s. När den trycktes mot luften, skulle temperaturen på dess ledande ytor ha stigit till 1.700C.
Flaps och styrraketer styrde banan och säkrade att IXV kom ner nära ett bärgningsfartyg.
Ett fallskärmssystem utplacerat i de mycket sena stadierna av flygningen och placera tvåtonsfordonet försiktigt i havet. Floatation ballonger kom ut för att stoppa det från att sjunka.
EU:s sakkunskap om teknik för återinträde är mer begränsad än till exempel USA:s eller Rysslands - något som EU vill ändra med hjälp av IXV.
Esas projektledare Giorgio Tumino berättade för BBC News: "Europa är utmärkt på att gå i omloppsbana; vi har till exempel alla bärraketer. Vi har också stor kunskap om drift av komplexa system i omloppsbana. Men där vi är lite efter är i kunskapen om hur man kommer tillbaka från omloppsbanan.
"Så, om vi ska stänga cirkeln - gå till omloppsbana, stanna i omloppsbana, komma tillbaka från omloppsbana - vi måste behärska detta tredje ben såväl som andra rymdfarar nationer."
Esa har redan godkänt en uppföljningsfarkost, Pride, som ser mycket lik i design till X-37B, en robot farkost som drivs av den amerikanska militären.
Ingen är helt säker på vilka uppdrag som flygs av X-37B, men de kommer sannolikt att inkludera tidiga tester av ny teknik för framtida satelliter.
Detta skulle också kunna vara en roll för Europas Pride-fordon. I-orbit service av satelliter är en förmåga som ofta diskuteras i detta sammanhang också.
Esa-nationerna kommer inom kort att träffas för att definiera dessa roller.
"Vi måste fortfarande komma överens med alla medlemsstater om alla olika typer av operationer i omloppsbana. Men oavsett lasten kommer den alltid att finnas i området för civila tillämpningar", betonar Tumino.
En prototyp för ett mångsidigt minirymdplan har framgångsrikt slutfört sin första testflygning och stänker ner i Stilla havet.