Původně se tato mise neměla vůbec uskutečnit a program raketoplánů měl uzavřít předchozí let STS-134, který dopravil na ISS alfa-magnetický spektrometr pro studium částic z hlubokého vesmíru. Jenže po návratu zmíněné výpravy zůstaly „na skladě“ pomocné startovací motory, palivová nádrž a raketoplán Atlantis, víceméně připravený k letu, jenž měl ke stanici vyrazit pro posádku STS-134 v případě vážného poškození jejich letounu Endeavour. Následoval tak logický krok – nachystanou sestavu využít a ještě naposledy dopravit větší množství nákladu na ISS a zpět dolů na Zemi, protože vyvíjené komerční lodě Dragon a Cygnus ani zdaleka nedosahovaly kapacit raketoplánu.
Nejistý návrat
Byl tu však problém: Kdyby se Atlantis při letu vážně poškodil a jeho posádka by musela zůstat na ISS, neexistovala by už výbava pro žádný další raketoplán, který by se mohl vydat na záchrannou misi. NASA proto rozhodla poslat do kosmu jen čtyři astronauty místo obvyklých šesti až sedmi: V případě nouze by zkrátka nějakou dobu žili na stanici, než by pro ně postupně zamířily ruské Sojuzy, startující rovněž s redukovanými posádkami a prázdnými křesly.
Atlantis vzlétl 8. července 2011 a o dva dny později se připojil k ISS. Hlavním cílem mise bylo vyložit pomocí robotické paže z nákladového prostoru modul Raffaelo, s několika tunami zásob, vědeckých experimentů a náhradních dílů. Následně jej astronauti zase naplnili hotovými pokusy a nepotřebným vybavením a přemístili ho zpět do raketoplánu.
Uskutečnil se i jeden kosmický výstup: Členové dlouhodobé posádky ISS Mike Fossum a Ron Garan přesunuli z vesmírného letounu na vnější plášť stanice experimentální zařízení, jež mělo zkoumat možnosti oprav a údržby běžných družic na orbitě; opačným směrem pak putovalo vadné čerpadlo chladicího systému ISS.
Jednadvacátého července raketoplán bezpečně přistál na Floridě a velitel Christopher Ferguson ohlásil: „Houstone, tady Atlantis. Zastavili jsme na přistávací dráze… naposled.“
