A missão STS-135, a última de um ônibus espacial, está prevista para durar 13 dias. Na viagem até a Estação Espacial Internacional (ISS, na sigla em inglês), a tripulação formada por Chris Ferguson, Doug Hurley, Sandra Magnus e Rex Walheim aproveitará a capacidade de carga do Atlantis para transportar materiais.

A nave leva para a ISS o módulo de logística multiuso Raffaello, carregado de suprimentos e peças sobressalentes para manter as operações da estação depois da aposentadoria dos ônibus espaciais.

Também é transportada a Missão de Reabastecimento Robótico (RRM, na sigla em inglês), um experimento programado para demonstrar e testar as ferramentas, tecnologias e técnicas necessárias para o reabastecimento dos satélites no espaço.

Na volta à Terra, a tripulação trará uma bomba de amônia que não funcionou na ISS. Os engenheiros querem compreender por que ela falhou e melhorar o projeto para futuras viagens.