Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS-19-12A ITS-P3 / ITS-P4. Der ursprüngliche Starttermin musste mehrfach wegen schlechten Wetters und technischer Probleme verschoben werden.

Die Atlantis koppelte nach zweitägigem Alleinflug am 11. September 2006 an die Raumstation ISS an. Es schlossen sich gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 13 an.

Hauptnutzlast war der P3/P4-Träger mit den Solarmodulen 2A und 4A. Dieser Kollektor ist das zweite von vier geplanten Paneelen, die die Energie für die ISS liefern. Bei drei Außenbordtätigkeiten wurde das Segment P3/P4 montiert. Zudem wurden 360 Kilogramm Ausrüstung und 470 Liter Wasser zur Station und 490 Kilogramm nicht mehr benötigter Teile (abgeschlossene Experimente, Ausrüstung, Müll) wieder zurück zur Erde gebracht.

Drei Stunden nach dem Andocken wurde die Gitterstruktur P3/P4 gegen 13:45 UTC mit dem Greifarm des Orbiters aus dessen Nutzlastbucht gehoben. Um 14:52 UTC wurde die Struktur dem ISS-Roboterarm übergeben, an dem sie bis zum nächsten Tag verblieb. Gesteuert wurde der Arm der Station von Missionsspezialist Steven MacLean, der die Übergabe als „kanadischen Handschlag“ bezeichnete, weil beide Manipulatoren aus Kanada stammen.

Die erste EVA unternahmen Joseph Tanner und Heidemarie Stefanyshyn-Piper am 12. September 2006 zur Installation von Strom- und Datenverbindungskabeln zwischen den P1 und P3/P4 Strukturen zur Vorbereitung der Entfaltung der Sonnensegel.

Die zweite EVA wurde durch Daniel Burbank und Steven MacLean am 13. September 2006 (7h 11m) zur Fortführung der Arbeiten zur Vorbereitung der Inbetriebnahme der P3/P4 Strukturen ausgeführt. Steven MacLean war dabei der erste Kanadier, der eine EVA unternahm.

Am sechsten Flugtag (14. September 2006) wurden die Solarzellenflächen entfaltet. Damit sich die Paneele während des Aufklappens nicht verkanten, ging man schrittweise vor. Zunächst begannen die Ingenieure im Kontrollzentrum gegen 09:00 UTC, das Backbordmodul 4A bis zur Hälfte auszufalten. Anschließend ging man mit dem Steuerbordpaneel 2A genauso vor. Um 11:08 UTC war Solarmodul 4A vollständig ausgefahren, 2A war um 12:44 UTC komplett entfaltet. Das Entrollen begann 70 Minuten später als vorgesehen, weil einer der beiden SARJ-Motoren Schwierigkeiten bereitet hatte. Nachdem die Nachführungseinheit am Vortag für ihre Aufgabe vorbereitet worden war, hatte die Bodenkontrolle in Houston deren Ausrichtung getestet. Dabei war ein Softwareproblem in einem der Steuerungsmotoren aufgetreten

Die dritte und letzte EVA erfolgte durch Joseph Tanner und Heidemarie Stefanyshyn-Piper am 15. September 2006 (6h 42m) zur Vorbereitung der P3/P4-Träger und ihrer Sonnensegel für den Betrieb. Joseph Tanner hat damit 7 EVA's insgesamt absolviert. Bei dieser EVA barg Heidemarie Stefanyshyn-Piper außerdem ein Materialerforschungsexperiment der ISS-5-Besatzung, mit dem äußere Einflüsse auf das Material getestet wurde.

Zu den weiteren Arbeiten der Crew gehörte u.a. ein Gespräch von Steven MacLean mit dem kanadischen Premierminister Stephen Harper und weitere Pressetermine, Umladen von Materialien, Wasser und sonstiger Ladung vom Shuttle in die ISS, Austauschen einer Batterieeinheit, Fototermine. Nach dem Abdocken von der ISS wurde zunächst noch das Hitzeschutzschild untersucht.

Aufgrund von Witterungsproblemen, aber auch weil in der Nähe des Shuttles urplötzlich kleine Teile auftauchten, die man nicht zuordnen konnte, wurde die Landung dann um einen Tag verschoben. Während der dann folgenden Untersuchungen konnten die Ingenieure am Boden aber keine Anomalien feststellen.