14 сентября 2010 года. Объявлен состав экипажа спасательного шаттла (rescue flight) STS-335, который должен «страховать» экипаж корабля Endeavour во время миссии STS-134:
Cdr - Christopher Ferguson (3)
Plt - Douglas Hurley (2)
MS1 - Sandra Magnus (3)
MS2 - Rex Walheim (3)
28 сентября 2010 года. В Космический центр имени Кеннеди на мысе Канаверал с завода в Мичауде близ Нового Орлеана, шт. Луизиана, доставлен внешний топливный бак ET-122, который может быть использован для запуска спасательного шаттла Atlantis STS-335.
23 ноября 2010 года. Глава Американского космического агентства (NASA) Чарльз Болден заявил, что в июне 2011 года, возможно, придется организовать дополнительный полет шаттла к МКС. После того, как будут завершены полеты шаттлов, грузы и астронавтов на орбиту должны доставлять космические корабли частных компаний. Однако Болден не исключает, первый полет частного космического корабля может задержаться. «Мы полагаем, что они не смогут запустить первый корабль в срок, потому что так делают все», - отметил Болден. Дополнительная миссия космического челнока позволит США избежать перебоев с доставкой на МКС грузов и экипажа. Как отметил Болден, в NASA не хотят, чтобы экипаж МКС сократился бы до трех человек, если задержка с коммерческим запуском не позволит американским астронавтам попасть на орбиту.
20 января 2011 года. НАСА утвердило дату старта шаттла Atlantis STS-135, назначив его на 28 июня 2011 года.
22 января 2011 года. НАСА утвердило эмблему предстоящей миссии.
21 мая 2011 года. НАСА утвердило дату заключительного полета по программе Space Shuttle. Шаттл Atlantis по программе STS-135 должен стартовать 8 июля 2011 года в 15:40 UTC (19:40 мск).
1 июня 2011 года. В Космическом центре имени Кеннеди проведена операция по транспортировке корабля многоразового использования Atlantis на стартовую позицию.
4 июля 2011 года. Экипаж шаттла Atlantis прибыл в Космический центр имени Кеннеди на мысе Канаверал для заключительной подготовки к полету по программе STS-135.
6 июля 2011 года. Начат предстартовый отсчет, старт шаттла планируется на 8 июля.
8 июля 2011 года. Стартовал 8 июля 2011 года в 15:29:03.996 UTC (19:29:03.996 мск) из Космического центра имени Кеннеди (NASA Kennedy Space Center), стартовый комлекс LC39A (82-е использование стартового комплекса; географические координаты комплекса 28,6083 N; 80,6041 E; подвижная стартовая платформа MLP-2). 135-й полет МТКК - программа полета STS-135 (обозначение миссии к МКС - ULF-7), внешний топливный бак ET-138, твердотопливные ускорители – комплект BI-146 с двигателями RSRM-114, 33-й полет OV-104 Atlantis. Основная цель полета: доставка на Международную космическую станцию робототехнического устройства для дозаправки RRM, грузов и оборудования в многоцелевом модуле MPLM «Рафаэлло» (Rafaello). Поскольку в случае повреждения орбитальной ступени не предусмотрен запуск спасательного шаттла, численность экипажа была сокращена таким образом, чтобы была возможность, в соответствии с договорённостью с Роскосмосом, вернуть членов экипажа Atlantis на российских кораблях «Союз». Для всех четверых членов экипажа были изготовлены индивидуальные кресла-ложементы и аварийно-спасательные скафандры «Сокол-КВ2». В состав грузов последнего шаттла входит кресло-ложемент и скафандр для Рекса Уолхайма, который при необходимости первым должен спускаться на Землю на «Союзе». Согласно плану, утвержденному NASA и Роскосмосом, в случае повреждения шаттла корабли «Союз» должны стартовать с одним или двумя пустыми креслами. Астронавтов шаттла планировалось возвращать по одному на четырех кораблях «Союз». В этом случае последнего из астронавтов планировалось вернуть на Землю через год после старта.
10 июля 2011 года. В 15:07:24 UTC (19:07:24 мск) шаттл Atlantis, совершающий полет по программе STS-135, благополучно состыковался с МКС. Перед стыковкой экипаж станции сфотографировал шаттл во время так называемого маневра «переворота».
11 июля 2011 года. С помощью крана-манипулятора Canadarm-2 астронавты шаттла пристыковали к Международной космической станции многофункциональный транспортный модуль «Рафаэлло», на борту которого доставлено около 4,3 тонны различных грузов, в том числе примерно 1,2 тонны продуктов. Этого количества еды должно хватить астронавтам основных экспедиций МКС приблизительно на год.
12 июля 2011 года. Принято решение о продлении последней в истории миссии шаттла на один день дольше запланированного. Возвращение шаттла намечено на 21 июля.
12 июля 2011 года. 12 июля 2011 года члены 28-й основной экспедции на МКС астронавты Michael Fossum и Ronald Garan совершили выход в космос по программе полёта шаттла Atlantis. Проведение работ силами членов экипажа основной экспедиции, доставленных на борт станции «Союзами», было запланировано из-за сокращенной численности членов экипажа Atlantis. Во время выхода астронавты перенесли в грузовой отсек шаттла неисправный насосный модуль контура А системы терморегулирования американского сегмента МКС с внешней платформы ESP-2, установили на платформе манипулятора Dextre робототехническое устройство для дозаправки (RMM), установили оптический отражатель ORMatE-III R/W для эксперимента MISSE-8 на внешней платформе ELC-2 и теплозащитную крышку на стыковочный узел гермоадаптера РМА-3.
Борт МКС со стороны ШО Quest астронавты покинули в 13:22 UTC (17:22 мск), в 19:53 UTC (23:53 мск) они завершили работу в открытом космосе и возвратились на борт МКС. Продолжительность пребывания астронавтов в открытом космосе составила
.
18 июля 2011 года. Астронавт шаттла Atlantis Сандра Магнус поместила многоцелевой логистический модуль Raffaello в грузовой отсек шаттла с помощью манипулятора Canadarm-2. На Землю в модуле возвращается около 3 тонн грузов.
19 июля 2011 года. В 06:28 UTC (10:28 мск) корабль многоразового использования Atlantis, совершающий полет по программе STS-135, отстыковался от МКС и ушел в двухдневный автономный полет.
20 июля 2011 года. В 07:49 UTC (11.49 мск) астронавты с помощью специального устройства «выпустили» на орбиту спутник PicoSat весом 3,6 кг, предназначенный для сбора данных о новых технологиях использования солнечных батарей в космосе. Это была завершающая полезная нагрузка последнего в истории шаттла.
21 июля 2011 года. В 08:49 UTC (12:49 мск) двигатели шаттла Atlantis были включены на торможение. Проработав 3 минуты 16 секунд, они обеспечили сход корабля с орбиты. В 09:56:56 UTC (13:56:56 мск) задние колеса шаттла коснулись посадочной полосы RW15 Космического центра имени Кеннеди на мысе Канаверал. Через 20 секунд полосы коснулась переднее колесо корабля. А еще через 34 секунды шаттл замер на полосе. Последний полет шаттла Atlantis завершился. Этим полётом завершена эксплуатация всего флота кораблей многоразового использования системы Space Shuttle. Продолжительность полета составила .