Start von Cape Canaveral (KSC); Landung in Cape Canaveral (KSC). Der Start war bereits für den 11. November 1995 geplant, musste aber wegen schlechten Wetters abgesagt werden.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Atlantis am 15. November 1995 an die MIR an. Es war die zweite Kopplung mit der russischen Raumstation MIR. Dabei wurde ein Kopplungsstutzen mitgeführt und an der MIR zurückgelassen. Es folgten gemeinsame Forschungsarbeiten mit der 20. MIR-Stammbesatzung. Zentrale Aufgabe der Mission war auch der Transport von Wasser, Versorgungsgütern, neuen Geräten und Experimenten zur Raumstation und der Rücktransport von Experimentalproben und kommerziell produzierten Halbleiter- und Proteinkristallen zur Erde.

Während der gemeinsamen Flugphase wurden mehrere wissenschaftliche Untersuchungen angestellt. So wurde die Stabilität des mehr als 200 Tonnen schweren Komplexes untersucht. Insbesondere galt das Interesse der NASA-Wissenschaftler den Bewegungen der Solarzellenausleger bei Triebwerkszündungen oder Lageänderungen mit Hilfe von Kreiselsystemen (Experiment PASDE = Photogrammetric Appendage Structural Dynamics Experiment). Erstmals wurde auch die Wechselwirkung der Raumstation mit den Atomen der dünnen Restatmosphäre (GLO/GPP) erforscht. In verschiedenen Teilen der Raumstation wurden Lärmmessungen vorgenommen (Mir Audible Noise Measurement). Dadurch sollten besondere Lärmquellen aufgespürt werden. Diese Erkenntnisse fanden Berücksichtigung beim Design der Internationalen Raumstation.

Während des Fluges wurden Aufnahmen mit einer IMAX-Filmkamera gemacht. Der 65 mm-Spezialfilm ermöglicht besonders hochauflösende Bilder. Diese wurden von der NASA nicht nur für technische Zwecke ausgewertet, sondern bezauberten in speziellen Kinos auch Millionen interessierter Zuschauer. Ebenso öffentlichkeitswirksam waren die zahlreichen Kontakte der Astronauten mit Amateurfunkern weltweit. Besonders beliebt waren Gespräche mit Schülern amerikanischer Bildungseinrichtungen (Experiment SAREX).

Nach dreitägigem gemeinsamem Flug (15. - 18. November 1995) koppelte die Atlantis wieder von der MIR ab und kehrte zur Erde zurück.