Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB; ISS-13A ITS-S3 / ITS-S4. Eigentlich war der Start bereits für den 15. März 2007 vorgesehen, doch Schäden, die durch einen Hagelsturm am 26. Februar 2007 am Shuttle auf der Startrampe entstanden, führten zu einer Verschiebung des Starttermins.

Wegen der mehrmonatigen Verschiebung der Mission STS-117 gab die NASA Ende April 2007 bekannt, den erst für den nächsten Shuttle-Flug geplanten Austausch der amerikanischen Bordingenieure auf der Raumstation vorzuverlegen. Der für einen Start mit STS-118 vorgesehene Astronaut Clayton Anderson wurde der Atlantis-Crew zugeteilt, um seine seit Dezember 2006 auf der ISS arbeitende Kollegin Sunita Williams abzulösen. Durch die kleine Mannschaftsumstellung wird erreicht, dass es in der zeitlichen Planung der ISS-Besatzungen zu keinen Verzögerungen kommt

STS-117 brachte das S3/S4-Element zur Internationalen Raumstation. Das Bauteil besteht aus der Gitterstruktur S3 und dem Solarzellenträger S4. Die Solarpaneele wurden nach der Installation ausgefahren. Außerdem wurde der zweite Flügel des Solarmoduls P6 eingefahren, um diesen später an seine endgültige Position bringen zu können.

Die Ankopplung der Atlantis an die Raumstation ISS erfolgte am zweiten Flugtag. Es schlossen sich mehrtägige gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 15 an. Anschließend wurde der Transfer von Clayton Anderson zur ISS und von Sunita Williams zur Crew von STS-117, mit der sie den Rückflug zur Erde antrat, vollzogen.

Die erste EVA unternahmen James Reilly und John Olivas am 11. Juni 2007 (6h 15m) zur Befestigung von elektrischen Strom-, Kühlungs- und Datenkabeln zum Beginn der Aktivierung des S3/S4-Trägers und Vorbereitung der Aktivierung des Solar Alpha Rotary Joint (SARJ). Dazu gehörten das Abmontieren und Umsetzen von Halterungsbolzen und das Anbringen der Vorrichtungen, in denen die neuen Sonnenkollektoren verankert werden.

Die zweite EVA durch Patrick Forrester und Steven Swanson erfolgte am 13. Juni 2007 (7h 16m) zur Fortsetzung der Aktivierung des S3/S4-Trägers und Assistenz beim Abbau des an Steuerbord befindlichen Sonnensegels am P6-Träger. Dabei konnten sie zwar alle Halterungen lösen, aber einige Haltegriffe nicht. Das wurde auf den nächsten Ausstieg verschoben. Nach dieser EVA traten unerwartete Probleme mit den Navigationscomputern aus dem russischen Sektor auf, die fast vollständig ausfielen. Im Laufe der Tage, gelang es den russischen Kosmonauten der ISS, mit viel Improvisationstalent und Bodenunterstützung die Computer wieder zum Laufen zu bringen; die Mission musste somit nicht abgebrochen werden. Infolge der Probleme und der verzögerten Arbeiten entschied man sich sogar, die Mission zu verlängern.

Die dritte EVA wurde wieder durch James Reilly und John Olivas am 15. Juni 2007 (7h 58m) ausgeführt. Sie diente der Entfernung der restlichen Sicherungsbolzen des Solar Alpha Rotary Joint (SARJ), um es zu aktivieren und Reparatur des Hitzeschildes der Atlantis. Ein Hitzkachel war beim Start teilweise hochgeklappt und musste von John Olivas wieder in die richtige Position gebracht und fixiert werden.

Die vierte und nicht geplante EVA unternahmen Patrick Forrester und Steven Swanson am 17. Juni 2007 (6h 29m). Dabei wurden abschließende Arbeiten zur Aktivierung des Solar Alpha Rotary Joint (SARJ) durchgeführt. Zu den weiteren Arbeiten gehörten das Umsetzen einer GPS-Antenne, die Installation eines Computer-Netzwerkkabels an Unity und Arbeiten am Schutzschild des Destiny-Labors.

Wegen ungünstiger Windverhältnisse in Florida musste die Mission um einen weiteren Tag verlängert werden.

Clayton Anderson am 07. November 2007 um 18:01 UTC mit STS-120 gelandet.