Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS ULF-3 ELC-1 ELC-2.

Die Mission STS-129 brachte Versorgungsgüter, Ersatzteile und Experimente mit Hilfe der EXPRESS Logistics Carrier (ELC) 1 und 2 zur Internationalen Raumstation. Im Verlauf ihres Einsatzes montierten die Astronauten die beiden ELCs und verrichteten bei drei Außenbordeinsätzen anstehende Wartungsarbeiten an der Station.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Atlantis am 18. November 2009 an die ISS an. Es folgten gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 21. Nicole Stott wurde als letztes Besatzungsmitglied mit dem Space Shuttle von der ISS zur Erde zurückgebracht..

Am dritten Flugtag und wenige Stunden nach der Ankopplung transportierten Leland Melvin und Randolph Bresnik den Express Logistics Carrier 1 (ELC-1) mit Hilfe des Shuttle-Roboterarms von der Ladebucht der Atlantis zum Roboterarm der ISS, der von Barry Wilmore und Jeffrey Williams gesteuert wurde. Damit installierten sie die Plattform am Port 3 Truss der Internationalen Raumstation.

Die erste EVA durch Michael Foreman und Robert Satcher wurde am 19. November 2009 (6h 37m) unternommen. Dabei wurden eine Ersatzantenne am Truss sowie eine Klammer für Kühlleitungen am Modul Unity angebracht. Daneben standen Schmierarbeiten auf dem Programm. Sowohl das Greifarmsystem am Mobile Base System (Karren an der Außenseite der Station), als auch die Schlingen an der "Hand" des japanischen Robotarmes mussten gefettet werden. Da man damit schneller fertig war, als ursprünglich vorgesehen, hatten sie zwei Stunden Zeit für weitere Aufgaben zur Verfügung. Man entschied sich, zusätzlich die Halterung für externe Nutzlasten (PAS) an der erdzugewandten Seite des Steuerbordauslegers S3 der Station auszubringen, anstatt dies erst während des zweiten Ausstiegs durchzuführen. Dabei mussten sie einen Bolzen mit einigen Hammerschlägen lösen.

Vor dem zweiten Weltraumspaziergang hoben die beiden Operatoren des Roboterarms der Atlantis Leland Melvin und Robert Satcher den Express Logistics Carrier 2 (ELC-2) aus der Ladebucht des Space Shuttles. Der Arm des Shuttle übergab den ELC-2 dem Roboterarm der Internationalen Raumstation, mit dem der ELC-2 an das Starboard 3 Segment der Station anfügt wurde. Die fast 6500 Kilogramm schwere Plattform enthält Ausrüstungsgegenstände zur Verlängerung der Betriebszeit der ISS.

Die zweite EVA durch Michael Foreman und Randolph Bresnik erfolgte am 21. November 2009 (6h 08m). Dabei wurden die GATOR (Grappling Adaptor to On-Orbit Railing) Klammer am Columbus-Modul und eine weitere Funkantenne angebracht. Eine weitere Antenne für die kabellose Helm-Video-Übertragung wurde am Truss angebracht. Daneben wurde eine sogenannte Floating Potential Measurement Unit, das das elektrische Potential während der Erdumläufe der Station aufzeichnet, umgesetzt. Weiterhin wurde eine weitere Klammer angebracht, die dazu dient, Material am Truss anzubringen.

Die dritte und letzte EVA durch Robert Satcher und Randolph Bresnik wurde am 23. November 2009 (5h 42m) ausgeführt. Dabei wurde ein neuer Sauerstofftank am Quest-Modul installiert und ein neuer Satz des "Materials on International Space Station Experiment," besser bekannt als MISSE-7A und 7B, an die externe Transport- und Trägerplattform EXPRESS Logistics Carrier (ELC-2) angebracht. Dann wurden noch Arbeiten an den Heizungskabeln an einem Kopplungsstutzen durchgeführt in Vorbereitung der Installation des Tranquility-Knotens an Unitys Backbord-Seite. Außerdem wurde eine weitere Ladeplattform am Truss angebracht.