Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB. Mission ISS-06-5A Lab "Destiny". Der ursprünglich für den 19. Januar 2001 festgesetzte Start musste wegen technischer Probleme abgesagt werden. Diese erforderten eine Rückführung des Space Shuttles zum Montagegebäude VAB, um die Kabel für die Trennung der Feststoffraketen zu kontrollieren.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Atlantis am 09.02.2001 an die Raumstation ISS an. Es folgte eine gemeinsame Arbeit mit der ISS Expedition 1.

Erste EVA durch Jones und Curbeam am 10.02.2001 (7h 34m). Nach dem Verlassen der Schleuse begab sich Jones zur Gitterstruktur und kontrollierte die korrekte Position des Adapters. Danach fungierte er als Lotse für den Transport des Labormoduls Destiny. Curbeam hatte währenddessen die Halterungen von Destiny sowie die Stromkabel und Kühlleitungen gelöst sowie Schutzverkleidungen von den Kopplungsmechanismen entfernt. Mit dem Manipulator wurde das Modul anschließend aus der Ladebucht gehoben, um 180° gedreht und in die korrekte Position am Modul Unity gebracht.

Zweite EVA durch Jones und Curbeam am 12.02.2001 (6h 50m). Dabei wurde zunächst der Kopplungsadapter PMA-2 von seiner zeitweiligen Position am Gitterelement Z1 zur Front des Labormoduls Destiny transportiert und dort angekoppelt. Danach befestigten sie Abdeckungen an den Haltebolzen im Laderaum der Atlantis, montierten einen Entlüftungskanal, mehrere Halterungen und Spanndrähte für spätere Außenbordarbeiten und einen Sockel für den kanadischen Manipulatorarm der Station an Destiny. Anschließend konnten noch Strom- und Datenleitungen zwischen dem Labormodul und dem Kopplungsadapter verbunden werden, die Verkleidung am Fenster des Labormoduls entfernt und eine Fensterklappe montiert werden, deren Schließmechanismus von innen bedient werden kann.

Jones und Curbeam am 14.02.2001 (5h 25m). Die Astronauten montierten eine Reserve-Antenne (S-Band), überprüften sorgfältig die physischen Verbindungen zwischen Destiny und dem Kopplungsadapter PMA-2 und lösten die Sicherung des dritten Radiators an der Gitterstruktur. Es war der 100. amerikanische Weltraumspaziergang.

Wegen schlechten Wetters am Kennedy Space Center musste die Landung um zwei Tage verschoben und der Landeort zur Edwards AFB verlegt werden.