由于几乎每一次升空的任务都不尽相同，因此，亚特兰蒂斯号航天飞机设计时就突出了任务适应性。空重151,315磅，装发动机后重171,000磅。亚特兰蒂斯号从前任航天飞机中吸取了许多经验，在首飞时，它比哥伦比亚号轻6,974磅；在轨道器组装中获得的经验，使亚特兰蒂斯号所需人时比哥伦比亚号减少了49.5%，这大部分来源于在机身前部采用防热敷层取代陶瓷片。
在建造亚特兰蒂斯和发现号过程中，NASA选择不同的承包商生产一套结构备件，以便在出现偶然事件时方便修理。这些备件包括后机身、中机身、前机身、垂尾和方向舵、机翼和升降舵等。后来这些备件被用到了奋进号航天飞机上。
亚特兰蒂斯被船运到加利福尼亚进行升级和改装，包括加装减速伞，800个防热片以及起落架舱门换装新型绝缘材料等，共计在20个月内完成约165处改进。
采用模块化设计，整个系统包括三大模块： 美国航天局介绍，“阿特兰蒂斯”号此行12天，主要任务是为国际空间站运送“黎明”号小型实验舱以及6块太阳能电池板和K u波段通信天线、发射天线等关键部件和货物，设备总重超过12吨。
“黎明”号实验舱由俄罗斯制造，长7米，重5吨，将与空间站俄罗斯舱段永久性对接，用于展开科学实验、存放实验设备。
随“阿特兰蒂斯”号升空的6名宇航员其间将展开3次太空行走，每次用时6个半小时。前两次主要任务是更换空间站外6块太阳能电池板，最后一次旨在安装通信天线。
美国航天局官员说，“阿特兰蒂斯”号自1985年首次升空以来飞行超过1.85亿公里，是执行国际合作任务最多的一架航天飞机，也是首个与俄罗斯“和平”号空间轨道站对接的轨道飞行器。
“这是俄罗斯人最了解的飞行器。”空间站飞行任务主管埃米莉·纳尔逊说，“因为它造访他们轨道站次数最多，我们过去用它为俄罗斯人运送舱体。” “亚特兰蒂斯”号上次（第36次）执行太空任务时，美国有线电视新闻网画面显示，肯尼迪航天中心附近当天下午天气晴朗。“亚特兰蒂斯”号在巨大轰鸣声中按预定时间升空，拖着白色“长尾”冲入云霄。大约8分半钟后，“亚特兰蒂斯”号进入预定轨道，当时国际空间站运行至距地大约354公里处。
美联社报道，超过4万人聚集到肯尼迪航天中心和附近道路上观看这次升空，人数之多创数年来观看航天飞机升空人数最高纪录。现场观众包括数十名俄罗斯人和大约150名“推特”用户。
俄罗斯航天局载人航天项目主管阿列克谢·克拉斯诺夫说，“亚特兰蒂斯”号这次准时升空是个奇迹。先前“大约三分之二升空活动因天气或硬件原因推迟……今天它按计划运行，分秒不差”。 “亚特兰蒂斯”号点火后不到3小时，美国国家航空航天局官员说，一块太空垃圾逼近空间站，挡住航天飞机原定飞行轨道。地面控制中心可能在必要时下令航天飞机临时改变路线，而后再与空间站对接。
按计划，“阿特兰蒂斯”号将于16日上午抵达空间站。“祝好运、平安，在上面愉快。”地面指挥迈克·莱因巴克在宇航员升空前对他们说。按照莱因巴克的说法，他在代表所有为“阿特兰蒂斯”号工作过的人讲话。
宇航员指令长肯尼思·哈姆回答道：“如果你不介意，我们会带它……绕地球多转几圈。”
搭乘“亚特兰蒂斯”号的6名宇航员均为男性且先前 执行过太空任务。他们当天早餐前亮相时着蓝黑色晚礼服，内套白色衬衫，打黑色领结。美联社评价，这可能是宇航员历次升空前着装最正式的一次。
“航天飞机时代”终结。
在“亚特兰蒂斯”号之前“发现”号和“奋进”号航天飞机已完成各自告别之旅。3架航天飞机将以总计135次飞行任务的纪录全部退役，宣告美国“航天飞机时代”终结。美国航天局迄今共建造6架航天飞机。第一架“企业”号航天飞机作为样机从未进入太空“挑战者”号于1986年1月28日在肯尼迪航天中心起飞73秒后爆炸，7名宇航员殒命。“哥伦比亚”号2003年2月1日在它第28次飞行返程途中解体，7名宇航员遇难。
按计划，“发现”号定于9月向空间站运送货物分离舱，实现二者对接。“奋进”号定于11月为空间站运送粒子探测器阿尔法磁谱仪，用于寻找反物质组成的宇宙、暗物质的来源并测量宇宙射线的来源。
“亚特兰蒂斯”号末次飞行将于2011年7月21日返回地球并退役，美国为期30年的航天飞机项目也将宣告终结。美国方面将依靠俄罗斯联盟号载人飞船输送宇航员至空间站，直至开发出新的太空飞行器。 “亚特兰蒂斯”号从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心升空，执行美国航天飞机项目第135次也是最后一次飞行。
“亚特兰蒂斯”号这次任务共历时12天。参与本次飞行的共有4名宇航员，他们本次需完成两项试验任务。一项是确定能否使用机器人为现有的航天器加燃油，另一项是在微重力状态下测试名叫“正渗透”的处理技术，以探寻再次利用废水的新方法。
经过2天的飞行，“亚特兰蒂斯”号与国际太空站成功对接，为驻守空间站的宇航员们送去了足够他们消耗1年的补给品，重约4吨，包括食物、衣物、科学仪器设备等。
15日，“亚特兰蒂斯”号航天飞机上的一台主计算机突然死机，随之而起的警报声惊醒了已沉睡的4名宇航员。“亚特兰蒂斯”号指令长克里斯托弗·弗格森介绍，警报持续了一个小时左右，宇航员们都醒了。随后，他们迅速启动了备用计算机，并修复了故障。
据悉，故障疑为宇宙射线所致。由于宇航员睡眠受到影响，地面控制中心将叫醒他们的时间推迟了半小时。
19日，“亚特兰蒂斯”号航天飞机最后一次脱离国际空间站“和谐”号(Harmony)节点舱，返回地球。脱离后的“阿特兰蒂斯”号先停在距离国际空间站200米处，国际空间站则翻转90度，如此“阿特兰蒂斯”号便能飞越空间站，拍摄外部照片进行检查。
脱离空间站的时候，铃声响起，美国宇航局在国际空间站上的小组长加兰用无线电报出“‘阿特兰蒂斯’号最后一次脱离空间站”。“感谢‘阿特兰蒂斯’号进行的12次国际空间站飞行任务，还有兴建空间站期间37次的宇航飞机飞行任务”。
当地时间21日凌晨4时(北京时间当天下午4时)过后不久，美国宇航局发布了批准“阿特兰蒂斯”号航天飞机“开始(脱轨燃烧)”的指令。
“亚特兰蒂斯”号航天飞机最后一次的飞行任务，是载回2.5公吨国际空间站上不再需要的材料和废物返回地球。
“亚特兰蒂斯”号航天飞机于美国东部时间21日晨5时57分(北京时间21日17时57分) 在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束其“谢幕之旅”，这寓意着美国30年航天飞机时代宣告终结。
