Start von Cape Canaveral (KSC) und Landung auf Cape Canaveral (KSC), Runway 33. Während des Starts wurde erstmals eine kleine Fernsehkamera verwendet, die auf dem Außentank montiert war, und hervorragende Livebilder von der Abtrennung der SRBs übertrug.

Hauptaufgabe des Fluges STS-112 (ISS Assembly Flight 9A) war die Anlieferung und Montage von S1, dem zweiten Teil der Integrated Truss Structure (ITS) der Internationalen Raumstation. Das S1-Element wurde an das S0-Element montiert, das von STS-110 geliefert wurde.

Die Integrated Truss Structure (ITS; dt.: Integrierte Gitterstruktur) ist die tragende Gitterstruktur der Internationalen Raumstation (ISS). Sie bildet deren Rückgrat und ist senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet.
Die ITS ist wie die gesamte Raumstation modular aufgebaut. Die einzelnen Elemente tragen Bezeichnungen aus einer Buchstaben-/Zahlenkombination ("P" steht für Port, von engl. Backbord; "S" steht für Starboard, von engl. Steuerbord): P1, P3/P4, P5 und P6 sind in Flugrichtung links angeordnet, während auf der rechten Seite die Elemente S1, S3/S4, S5 und S6 montiert sind. Das Element S0 liegt in der Mitte und ist über das Destiny Labor mit dem bewohnten Teil der Station verbunden.
Die Integrated Truss Structure ist eine im Querschnitt trapezförmige, starre Leichtmetallstruktur mit zusätzlichen Querstreben. Für die Verbindung der einzelnen Segmente der Gitterstruktur existiert ein spezielles "Module-to-Truss Segment Attachment System". Für jede Verbindung gibt es einen fernbedienbaren Fangriegel, der beide Elemente zunächst locker verbindet und danach festgezogen wird. Außerdem greifen dann vier motorgetriebene Bolzen, die zusätzlich gesichert werden.

Die beiden Elemente Starboard One S1 und Portside One P1 sind jeweils etwa 14 Meter lang, 4,57 Meter breit und haben eine Masse von 12,5 Tonnen. Sie verfügen jeweils über ein System zum automatischen Anschluss von Versorgungsleitungen (Energie, Daten, Kühlmittel), einen Kühlmitteltank, dazu gehört ein Stickstofftank, drei Radiatoren mit je 22 m Länge zur Abstrahlung überschüssiger Wärme (vor allem aus den Energiesystemen) nebst der zugehörigen Drehmechanik und Steuerelektronik, Stromkonverter und -verteiler, zwei Videoanschluss-Stationen, zwei passive und eine aktive Segmentverbindungsanlagen sowie jeweils einen Transportkarren (CETA 1 und 2). Unterschiede bestehen im installierten Kommunikationssystem, S1 besitzt eine S-Band Antenne, P1 ein UHF-Kommunikationssystem.
Starboard One S1 wurde am 07. Oktober 2002 an Bord der Atlantis (STS-112) in eine Erdumlaufbahn gebracht und drei Tage später am zentralen Modul S0 angekoppelt.

Nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn öffnete die Besatzung die Frachtraumtüren der Atlantis, testete den Greifarm RMS in seinen verschiedensten Funktionen, klappte die für das Rendezvous erforderliche Ku-Band-Antenne aus und begann mit der Angleichung der Flugbahn zur Internationalen Raumstation. Ebenso montierten sie im "Orbiter Docking System" die "Centerline Camera", die Kommandant Jeffrey Ashby das spätere Docking erleichtern soll.

Den Gesetzen der Bahnmechanik folgend holte die Atlantis von ihrer ersten Umlaufbahn und weiteren Triebwerkszündungen in den folgenden beiden Tagen immer mehr zur Internationalen Raumstation auf. Am dritten Flugtag, dem 09. Oktober 2002, hatte die Atlantis einen Punkt 15 Kilometer hinter der Raumstation erreicht. Für den Anflug im Rahmen des sogenannten "R-Bar Approach" musste das Space Shuttle nochmals seine Bahn senken, sodass sich die Atlantis schließlich etwa 180 Meter unterhalb der Internationalen Raumstation befand. Ab dieser Distanz übernahm Jeffrey Ashby die manuelle Steuerung und flog entlang des sogenannten "R-Bar" (gedachte Verbindungslinie zwischen der Raumstation und dem Erdmittelpunkt) hinauf zur ISS. Nach den üblichen Haltepunkten bei 52 Meter und 9 Meter vor der ISS reduzierte er die Annäherungsgeschwindigkeit auf zuletzt nur noch 3 Zentimeter pro Sekunde. Wie die Kommandanten bei allen Kopplungsmissionen steuerte er den Raumgleiter von der hinteren Konsole im Flugdeck aus, weil er von dort freie Sicht auf die Raumstation hatte. Ohne Probleme konnte er sein Raumschiff an die ISS ankoppeln.

Nach der erfolgreichen Ankopplung und den üblichen Dichtigkeitsprüfungen wurden die Luke zwischen der Atlantis und der Internationalen Raumstation geöffnet. Es schloss sich eine kurze Begrüßungszeremonie mit der fünften Expedition der ISS an.

Bereits am folgenden Tag begannen David Wolf und Piers Sellers mit den Vorbereitungen für ihren Außenbordeinsatz. Während dieser Zeit hoben Sandra Magnus und ISS-5-Crew-Mitglied Peggy Whitson mit Hilfe des Greifarms der Raumstation SSRMS das neue Element Starboard One S1 aus der Ladebucht heraus und transportierten es zur Installation an das Ende des Starboard Zero S0. Dort rastete das neue Stationselement ein und war damit mechanisch mit der Raumstation verbunden. Erst nach dem erfolgreichen Abschluss dieser Arbeiten verließen die beiden EVA-Astronauten die Luftschleuse.

Die erste EVA durch David Wolf und Piers Sellers erfolgte am 10. Oktober 2002 (7h 1m). Dabei schlossen die Astronauten Energie-, Daten- und Flüssigkeitsleitungen zwischen dem neuesten Segment der ISS, dem Steuerbord 1 (S1) Truss, und dem bereits während der Mission STS-110 montierten Starboard Zero S0 an und entriegelten drei zusammengefaltete Radiatoren, die für optimale Kühlung in gewünschte Position gedreht werden können. Danach wurde eine S-Band-Antenne installiert. Als Nächstes wurde die Verriegelung des Crew and Equipment Translation Aid CETA gelöst. Dabei handelt es sich um einen Schienenwagen, der auf dem Gerüst Ausrüstung und Astronauten transportieren kann. Die Abschlussarbeit für David Wolf und Piers Sellers war dann die Installation einer externen Kamera auf dem S1 als Überwachungsgerät für EVA-Astronauten und die Operatoren des Greifarms.

Am fünften Flugtag standen neben den Vorbereitungen des nächsten Außenbordeinsatzes Transportarbeiten im Vordergrund. Neben Ausrüstungsgegenständen und Verbrauchsgütern hatte die Atlantis zahlreiche neue Experimente zur Internationalen Raumstation mitgebracht. Im Gegenzug nahm das Space Shuttle Experimentierergebnisse und Experimentproben zurück zur Erde.

Die zweite EVA durch Piers Sellers und David Wolf wurde am 12. Oktober 2002 (6h 4m) ausgeführt, bei der sie mit ihrer Arbeit fortfuhren, um den S1-Truss zum Leben zu bringen. In dieser Zeit wurden vierundzwanzig Druckverminderungsgeräte (Spool Positioning Devices - SPDs) installiert, die meisten für Ammoniak-Leitungen. Weiter wurden Kühlleitungen verbunden, Starthalterungen des Radiators gelöst und eine zweite Video-Kamera an den Rumpf des Moduls Unity installiert.

Am siebten Flugtag wurde acht Stunden lang Sauerstoff von der Atlantis in die Tanks der Quest Luftschleuse gepumpt. Danach begannen David Wolf und Piers Sellers mit den Vorbereitungen der dritten EVA. Außerdem wurde die "Tretmühle" der Raumstation im Swesda-Modul demontiert, Teile ersetzt und wieder zusammengebaut.

Die dritte und letzte EVA unternahmen erneut David Wolf und Piers Sellers am 14. Oktober 2002 (6h 36m), bei der die Installation des Steuerbord 1 (S1) Truss beendet und anschließend das gesamte Element einer endgültigen Überprüfung unterzogen wurde. Zuerst wurde die Verriegelung des Kabelschneiders am mobilen Transporter entfernt, danach Ammoniak-Leitungen angeschlossen und Startklammern von S1 entfernt. Und weil die beiden Astronauten so rasch arbeiteten, wurde als zusätzliche Arbeit ein Drehpositionierungsgerät für einen Pumpmotor installiert, der helfen soll, Ammoniak in den Kühlsystemen der Station zirkulieren zu lassen.

STS-112 transportierte außerdem verschiedene wissenschaftliche Experimente wie den Plant Generic Bioprocessing Apparatus (PGBA), Commercial Generic Bioprocessing Apparatus (CGBA), das Protein Crystal Growth Single-locker Thermal Enclosure System mit dem Protein Crystallization Apparatus for Microgravity (PCG-STES-PCAM) und Proben für das Experiment Zeolite Crystal Growth Furnace (ZCG) zur Internationalen Raumstation.

Am 15. Oktober 2002 ersetzten Jeffrey Ashby und Peggy Whitson von der ISS einen Entfeuchter in der Quest-Luftschleuse der Internationalen Raumstation, der schon früher ein Leck aufgewiesen hatte. Die letzten Versorgungsgüter wurden umgeladen und das bevorstehende Abtrennungsmanöver vorbereitet. Nachdem sich die beiden Mannschaften voneinander verabschiedet hatten, schlossen sie die Luken zwischen Raumstation und Atlantis.

Am 16. Oktober 2002 koppelte die Atlantis-Besatzung mittels Federkraft wieder von der ISS ab. Dadurch werden Beschädigungen oder Verunreinigungen der Station vermieden. Erst danach wurden die Steuerungstriebwerke aktiviert und die Raumfähre entfernte sich von ihr bis zu einer Distanz von etwa 150 Meter. Von dort aus umflog Pamela Melroy die Orbitalstation eineinviertel Mal, ehe die Triebwerke der Atlantis erneut gezündet wurden und der Raumgleiter seine Distanz vergrößerte.