Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS Assembly Flight 9A. Während des Starts wurde erstmals eine kleine Fernsehkamera verwendet, die auf dem Außentank montiert war, und hervorragende Livebilder von der Abtrennung der SRB's übertrug.

Nach zweitägigem Alleinflug erfolgte die Ankopplung an die Raumstation ISS am 09.Oktober 2002. Es schlossen sich gemeinsame Arbeiten mit der fünften Expedition der ISS an. Die Atlantis lieferte, neben neuen Experimenten, mit S1 das zweite Strukturelement zur Internationalen Raumstation. Es ist 13,7 Meter lang, maximal 4,6 Meter breit und hat eine Masse von 14 Tonnen. Das S1-Element wurde an das S0-Element montiert, das von STS-110 geliefert wurde.

Die erste EVA durch David Wolf und Piers Sellers erfolgte am 10. Oktober 2002 (7h 1m), bei der Kabel- und sonstige Verbindungen zwischen dem neuesten Segment der ISS, dem Steuerbord 1 (S1) Truss, und dem bereits in einer früheren Mission montierten S Zero-Truss hergestellt wurden. Sandra Magnus und ISS-5-Crew-Mitglied Peggy Whitson hatten zuvor S1 mit dem Roboterarm Canadarm2 an die richtige Position gebracht. David Wolf und Piers Sellers entfalteten außerdem eine Antenne und aktivierten einige Halterungen am Handkarren.

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. Neben anderen Tätigkeiten gehörte dazu das Verbinden vom Ammoniak-Kühlleitungen. Außerdem wurde eine zweite Video-Kamera am Rumpf des Unity-Knotens angebracht.

Die dritte und letzte EVA unternahmen erneut David Wolf und Piers Sellers am 14. Oktober 2002 (6h 36m), bei der die Installation des Truss Segments beendet und anschließend das gesamte Element einer endgültigen Überprüfung unterzogen wurde.

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.