Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS ULF-4 ICC, MRM-1 (jetzt Rasswet), ERA.

Die Mission STS-132 brachte das in Russland gebaute Erweiterungsmodul Rasswet, das am Sarja-Modul angedockt wurde, zur Internationalen Raumstation. Mit an Bord befand sich außerdem der Integrated Cargo Carrier (ICC-VLD). Dieser brachte 6 neue Batterien zur ISS, die dieselbe Anzahl alter im P6-Segment ersetzen. Außerdem wurde eine neue Ku-Band-Antenne installiert.

Die Astronauten der Atlantis mussten ein Reserve-Sensorsystem mit geringerer Leistung für die Inspektion des Hitzeschutzschildes an der Nase und den Flügeln des Shuttles verwenden. Ein klemmendes Kabel verhinderte die Nutzung des leistungsfähigeren Primärsystems. Durch das Problem verlor die Crew mehrere Arbeitsstunden, weil das Reservesystem Sonnenlicht benötigt. Nach Aussage des Flugdirektors konnten schließlich aber doch alle notwendigen Daten gewonnen werden.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Atlantis am 16. Mai 2010 an die ISS an. Es folgten gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 23.

Die erste EVA unternahmen Garrett Reisman und Stephen Bowen am 17. Mai 2010 (7h 25m). Dabei wurde die Installation einer Ku-Band Antenne für den Datentransfer von Orbit zur Erde am Truss der Raumstation, die als Reserve dienen soll, durchgeführt. Danach installierten die beiden Astronauten eine neue Experimente-Plattform an Dextre. Schließlich bereiteten Garrett Reisman und Stephen Bowen den Wechsel von Batterien während des zweiten und dritten Weltraumspaziergangs vor. Diese Arbeiten konnten während der Mission STS-131 aber nicht mehr durchgeführt werden.

Am 18. Mai 2010 wurde das neue russische Modul Rasswet an die Internationale Raumstation angefügt. Kenneth Ham und Anthony Antonelli steuerten den Roboterarm des Space Shuttle, um das neue Forschungsmodul aus der Ladebucht der Atlantis zu holen. Dann übergaben sie das Modul an den von Garrett Reisman und Piers Sellers geführten Roboterarm der Internationalen Raumstation. Dieser brachte das MRM-1 oder Rasswet zu seiner neuen Position am russischen Segment. Überwacht wurden die Arbeiten durch den Kommandanten der Expedition 23 Oleg Kotow. Vom russischen Segment aus unterstützte er das automatische Andocken und die permanente Befestigung an die Raumstation.

Die zweite EVA wurde durch Stephen Bowen und Michael Good am 19. Mai 2010 (7h 09m) ausgeführt. Dabei erfolgte der Austausch der ersten vier Batterien auf der Backbordseite des Truss, um elektrische Energie von den dortigen Solarflächen zu speichern. Die alten Batterien wurden auf einem Träger befestigt, um sie mit der Atlantis zur Erde zurückzubringen. Zusätzlich zu den geplanten Aufgaben lösten Stephen Bowen und Michael Good ein klemmendes Kabel, das die volle Funktion des lasergestützten Abtastsystems und der Videokamera verhinderte. Diese Geräte sind am Orbiter Boom Sensor System befestigt.

Die dritte und letzte EVA erfolgte durch Michael Good und Garrett Reisman am 21. Mai 2010 (6h 46m) zur Installation der letzten zwei Batterien am Truss. Die zwei verbrauchten Batterien wurden ebenfalls auf einen Träger montiert. Zum Abschluss dieser EVA wurde eine Greifvorrichtung aus der Ladebucht der Atlantis geholt und in die Raumstation gebracht, in der sie als Reserve gelagert wird.

Am neunten Flugtag wurde zunächst die ICC-Frachtpalette mit dem Canadarm2 wieder in der Ladebucht der Atlantis verstaut. Später fanden Transferarbeiten vom Mitteldeck des Shuttles und zurück zur Station statt. Zudem beantworteten die Astronauten Fragen von Schülern.