Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC). Mission ISS-03-2A.2B. Hauptaufgaben der Mission waren der Transport von Versorgungsgütern, die Vorbereitung der Station auf die Ankunft der ersten Stammbesatzung und Montagearbeiten außerhalb der Station.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Atlantis am 10. September 2000 an die Raumstation ISS an.

Die einzige EVA des Fluges wurde durch Edward Lu und Juri Malentschenko am 11. September 2000 (6h 15m) unternommen. Dabei wurden Kabel zwischen Swesda und dem Sarja-Modul verlegt und ein Magnetometer installiert. Das Magnetometer gehört zu einem Navigationssystem, mit dem die Lage der Station im Raum anhand der Richtung und Stärke des Erdmagnetfeldes bestimmt werden kann.

Nach dem Öffnen der 12 Luken wurde zunächst die Qualität der Luft im neuen Modul Swesda überprüft. Zu den insgesamt rund 3 Tonnen Material, die aus einem Doppel-Spacehab-Modul in der Ladebucht der Atlantis und aus dem angedockten Transportraumschiff Progress M1-3 entladen wurden, gehörten Nahrungsmittel, Bekleidung, 6 gefüllte Wasserbehälter, medizinische Ausrüstung, ein Amateurfunkgerät, Computer nebst Zubehör und persönliche Artikel der ersten Stammbesatzung. Zu den Montagearbeiten der Crew gehörte auch die Installation einer Toilette, eines Sauerstoffgenerators vom Typ Elektron, bei dem auf elektrolytischem Wege Sauerstoff aus Wasser gewonnen wird, eines Kohlendioxidfilters und eines Laufbandes. Letztlich wurden zwei russische Raumanzüge vom Typ Orlan an der Ausstiegsluke befestigt.

Im Shuttle flogen mehrere Experimente mit, die weitgehend automatisch abliefen. Dazu gehörten Untersuchungen zum Einfluss der Schwerelosigkeit auf die Entwicklung des Nervensystems von Fruchtfliegen sowie zu Veränderungen des Erbgutes von Nierenzellen und der Bildung von Nierengewebe (Commercial Generic Bioprocessing Apparatus), Experimente von Schülern und Studenten verschiedener amerikanischer Schulen in Spezialbehältern (Getaway Special 782 und Space Experiment Module 8), die Erprobung eines aus kleinen, autonomen Einheiten bestehenden Mess- und Aufzeichnungssystems, das seine Daten drahtlos an eine Zentrale übermittelt (HTD 1403 Micro Wireless Instrumentation System) und die Demonstration der Funktionsfähigkeit eines neuen, preiswerten Systems zur Gewinnung großer und reiner Proteinkristalle (Protein Crystal Growth Enhanced Gaseaus Nitrogen Devar). Dabei werden Materialproben auf der Erde schockgefroren und in einem Gefäß mit flüssigem Stickstoff untergebracht. Im Weltraum siedet und verdampft der Stickstoff dann langsam und gibt damit die Kristallisation der Proben frei. Diese geschieht sehr langsam, wodurch extrem große Proteinkristalle entstehen. Proteine spielen bei allen Lebensprozessen im menschlichen Körper eine große Rolle. Große Kristalle lassen sich durch Röntgenstrahlung gut untersuchen und ihr Aufbau feststellen.

Weitere Routineexperimente betrafen die Navigation mit Hilfe des Global Positioning Systems, die Reaktivierung ruhender Viren in der Schwerelosigkeit, die Funktion des Immunsystems und die Untersuchung von Gleichgewichtsstörungen und der Wiederanpassung an die Schwerkraft nach dem Raumflug.