Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS ULF-7 MPLM Raffaello.

Zu den wesentlichen Aufgaben des Fluges gehörten: Anlieferung des Raffaello Multi Purpose Logistics Module (MPLM), das mit Ausrüstungsgegenständen und Ersatzteilen zum Betrieb der Raumstation nach den Shuttle-Missionen gefüllt ist; Transport des Robotic Refueling Mission (RRM), einem speziell entwickelten Experiment zum Nachbetanken von Satelliten im Orbit, selbst wenn diese dafür nicht konstruiert waren; Rücktransport einer kürzlich ausgefallenen Ammoniak-Pumpe, damit die Ingenieure die Ursachen für den Ausfall ergründen können. Die war die letzte Mission der Atlantis und des gesamten Space-Shuttle-Programms.

Ursprünglich war zwischen dem 18. und 26. November 2007 eine Mission angesetzt, die ebenfalls als STS-135 bezeichnet wurde. Es sollte die ISS-Aufbaumission ISS-17A geflogen werden, mit der ein MPLM und ein LMC zur Station gebracht worden wäre. Nach der Columbia-Katastrophe wurde dieser Flug abgesetzt. ISS-17A wurde dann leicht abgewandelt mit der Mission STS-128 ausgeführt.

31 Sekunden vor dem geplanten Start gab es eine Unterbrechung des Countdowns durch den Computer, da unklar war, ob ein Ausleger des Startturms vollständig zurückgezogen war. Nach drei Minuten wurde der Countdown fortgesetzt und die Atlantis startete erfolgreich.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Atlantis am 10. Juli 2011 an die ISS an. Es folgten gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 28.

Am vierten Flugtag holten Pilot Douglas Hurley und Missionsspezialistin Sandra Magnus von der Cupola der Internationalen Raumstation mit Hilfe des Greifarms Canadarm2 das Raffaello Multi-Purpose Logistics Module aus der Ladebucht der Atlantis. Sie befestigten es auf der erdzugewandten Seite des Harmony-Moduls der Raumstation.
Das 21 Fuß lange und 15 Fuß im Durchmesser betragende Raffaello ist vollgepackt mit 9.403 Pfund Ersatzteilen und Ausrüstungsgegenständen - einschließlich 2.677 Pfund Lebensmittel. Damit der der weitere Betrieb der Raumstation für ein Jahr gesichert. Raffaello transportiert acht Resupply Stowage Platforms (RSPs), zwei Intermediate Stowage Platforms (ISPs), sechs Resupply Stowage Racks (RSRs) und ein Zero Stowage Rack.

Während der Kopplung erfolgte eine EVA durch die Crewmitglieder der ISS Expedition 28 Michael Fossum und Ronald Garan am 12. Juli 2011 (6h 31m). Dabei erfolgte der Transport einer defekten Ammoniak-Pumpe in die Ladebucht des Space Shuttle, der Transfer des Experimentes Robotic Refueling Mission (RRM) zur Raumstation und die Befestigung an der Plattform ELC-2 für Langzeit-Untersuchungen.

Im Gegensatz zu anderen Shuttle-Flügen wurde bei dieser Mission keine weitere Raumfähre für einen möglichen Rettungsflug bereitgehalten. Für den Fall, dass eine Havarie der Atlantis eine sichere Rückkehr zur Erde unmöglich gemacht hätte, wäre die Besatzung der STS-135 vorläufig an Bord der ISS geblieben und im Laufe der folgenden Monate mit Sojus-Raumschiffen zur Erde zurückgebracht worden. Für die Auswahl der Atlantis-Besatzung bedeutete dies, dass sie auch die strengeren Anforderungen für Sojus-TMA-Missionen erfüllen musste, so wurden für sie Sokol-Raumanzüge und Sojus-Konturensitze maßgefertigt.

In der Folge wären zwei Sojus-Raumschiffe mit jeweils einem, sowie eins mit zwei freien Plätzen zur ISS gestartet. Die Besatzung von STS-135 wäre dann mit Sojus TMA-21 (Rex Walheim), Sojus TMA-02M (Christopher Ferguson), Sojus TMA-03M (Sandra Magnus) und Sojus TMA-04M (Douglas Hurley) zur Erde zurückgekehrt, so dass die vollständige Rückkehr der Besatzung bis Juni 2012 gedauert hätte.