Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB. Ursprünglich war der Start für den 03. November 1994 geplant. Wegen schlechten Wetters standen die Notlandeplätze auf der iberischen Halbinsel (Portugal und Spanien) an diesem Tag nicht zur Verfügung. Auch die dritte TAL-Bahn (Transatlantic Abort Landing) im marokkanischen Ben Guerir war nicht uneingeschränkt nutzbar, weil die Windgeschwindigkeiten zu hoch waren.

Atlantis trug die Mission "ATLAS-3" (Atmospheric Laboratory for Applications and Sciences) in den Erdorbit. Das Labor ging der Frage nach, wie die Sonne das irdische Klima beeinflusst. Wie reagiert der Lufthülle der Erde auf die Sonnenenergie, speziell die ultraviolette Strahlung? Vor allem wurde das jahreszeitlich bedingte Verschwinden des antarktischen Ozonlochs und die damit einhergehende Erholung der Atmosphäre, sowie die Veränderungen der Luft auf der nördlichen Halbkugel, wo gerade der Winter begann, untersucht.

Die Plattform CRISTA-SPAS wurde ausgesetzt und nach einem Freiflug von mehr als acht Tagen wieder eingefangen. CRISTA (Cryogenic Infrared Spectrometer Telescope for Atmosphere) wurde an der Universität Wuppertal entwickelt und gebaut und erfasste die Verteilung der Spurengase in der Atmosphäre. Dazu entfernte sie sich vom Shuttle und folgte ihm in zwischen 40 und 70 Kilometer Entfernung, um ungestört Messungen vornehmen zu können.

Beim Einfangen von CRISTA wurde ein neues Manöver getestet, mit dem das Andockmanöver an der Raumstation MIR beim nächsten Flug der Atlantis (STS-71) demonstriert werden sollte. Hierbei nähert sich der Orbiter dem Ziel von unten, wobei die Lagetriebwerke weniger benutzt werden und somit eine Verunreinigung von Systemen der Raumstation wie z.B. Sonnenpaneele minimiert werden könnten. CRISTA wurde von Nutzlast-Commander Ellen Ochoa wieder eingefangen. Der Satellit hatte 100 Gigabit Daten erzeugt.

Wegen starker Winde und Regenschauern musste STS-66 zur Edwards AFB umgeleitet werden.