Celem misji Atlantisa jest dostarczenie na Międzynarodową Stację Kosmiczną i instalacja na niej kolejnych elementów konstrukcji i paneli baterii słonecznych. Podczas trzech spacerów kosmicznych (pierwszy zaplanowano na czwarty dzień wyprawy) załoga promu zamontuje potężną metalową kratownicę stanowiącą kluczowy element "kręgosłupa” stacji. Nastąpi również niewielka zmiana w składzie załogi stacji.
Po zakończeniu lotu na pokładzie promu wróci na Ziemię amerykańska astronautka Sunita Williams. Zastąpi ją znajdujący się w składzie siedmioosobowej załogi Atlantisa Clayton Anderson.
To pierwszy start wahadłowca w tym roku. Miał nastąpić wcześniej, ale gdy pod koniec lutego prom stał już przygotowany na platformie startowej, gradobicie uszkodziło powłokę izolacyjną zbiornika z paliwem. Konieczna była solidna naprawa, a to spowodowała przełożenie startu na czerwiec.
