W trakcie pobytu astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej wykonali oni cztery spacery kosmiczne, podczas których dokonali montażu elementów ITS S3/S4 oraz PV Array, a także naprawy elementów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz osłony termicznej wahadłowca Atlantis.
Clayton Anderson (1 lot) specjalista misji 5, członek załogi pozostający na ISS (NASA / USA)
Sunita Williams (1 lot) specjalista misji 5, członek załogi powracający z ISS (NASA / USA)
W styczniu 2005 roku Mark Polansky został przeniesiony do misji wahadłowca DiscoverySTS-116, przez co zastąpił go Lee Archambault, podobnie stało się z Joan E.M. Higginbotham, astronautkę zastąpił Steven Swanson. W tym samym czasie John Olivas awansował na miejsce Richarda Mastrachio'ego. 26 kwietnia 2007 do załogi misji dołączył Clayton Anderson.
Plan lotu
8 czerwca 2007 – start z Centrum Lotów Kosmicznych imienia Johna F. Kennedy’ego
10 czerwca 2007 – dokowanie do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej
11 czerwca 2007 – pierwszy spacer kosmiczny z udziałem Jamesa Reilly'ego i Johna Olivasa
13 czerwca 2007 – drugi spacer kosmiczny z udziałem Stevena Swansona i Patricka Forrestera
15 czerwca 2007 – trzeci spacer kosmiczny z udziałem astronautów z pierwszego spaceru kosmicznego
17 czerwca 2007 – odłączenie wahadłowca od Międzynarodowej Stacji Kosmicznej
19 czerwca 2007 – lądowanie na lotnisku Centrum Lotów Kosmicznych imienia Johna F. Kennedy’ego na Florydzie
Rzeczywisty przebieg misji
15 lutego 2007 – o godz. 20:09 UTC prom został umieszczony na platformie startowej 39A.
26 lutego 2007 – nad wyrzutnią 39A przeszła burza z gradobiciem, która uszkodziła ET oraz wahadłowiec.
4 marca 2007 – Atlantis został z powrotem przetransportowany do VAB celem oceny i naprawy uszkodzeń. Rozważano również możliwość wymiany ET na nowy zbiornik, przeznaczony dla misji STS-118.
10 kwietnia 2007 – szefostwo NASA podjęło decyzję kontynuacji napraw zbiornika i wyznaczyło nową datę startu na 9 czerwca 2007.
15 maja 2007 – orbiter ponownie został umieszczony na wyrzutni.
8 czerwca 2007 – start promu Atlantis z Centrum Lotów Kosmicznych imienia Johna F. Kennedy’ego.
10 czerwca 2007 – nastąpiło dokowanie do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
11 czerwca 2007 – miał miejsce pierwszy spacer kosmiczny z udziałem Jamesa Reilly'ego i Johna Olivasa.
13 czerwca 2007 – miał miejsce drugi spacer kosmiczny z udziałem Stevena Swansona i Patricka Forrestera.
15 czerwca 2007 – miał miejsce trzeci spacer kosmiczny z udziałem Jamesa Reilly'ego i Johna Olivasa.
17 czerwca 2007 – miał miejsce czwarty, ponadplanowy spacer kosmiczny z udziałem Stevena Swansona i Patricka Forrestera.
19 czerwca 2007 – nastąpiło odłączenie wahadłowca od Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
