این ماموریت با چهار فضانورد، کوچک‌ترین پرواز شاتل از زمان اس‌تی‌اس ۶ در آوریل ۱۹۸۳ بود. محموله اصلی شامل ماژول لجستیک چندمنظوره و یک حامل سبک‌وزن چندمنظوره بود که به ایستگاه فضایی بین‌المللی منتقل شدند.
با وجود تایید ماموریت، در ابتدا ناسا بودجه‌ای برای آن نداشت و ابهامی در مورد انجام پرواز وجود داشت. تا اینکه در سیزدهم فوریه ۲۰۱۱ مدیران برنامه به کارکنان اعلام کردند اس‌تی‌اس ۱۳۵ بدون توجه به محدودیت‌های بودجه انجام خواهد شد.
چارلز بولدن، مدیر ناسا، در سخنرانی در مرکز پرواز فضایی مارشال تأکید کرد که آژانس به پرواز اس‌تی‌اس ۱۳۵ به سمت ایستگاه در سال ۲۰۱۱ نیاز دارد. این ضرورت ناشی از تأخیر‌های احتمالی در گسترش موشک‌های تجاری و فضاپیما‌های طراحی‌شده برای حمل بار بود.
در روز پرتاب، نزدیک به یک می‌لیون تماشاگر در کنار سواحل، رودخانه‌ها و معابر گرد هم آمده بودند. علی‌رغم پیش‌بینی‌های آب‌وهوایی نامناسب، آتلانتیس در هشتم ژوئیه ساعت ۱۱۲۹ صبح به وقت شرقی پرتاب شد.
تیمی از فضانوردان باتجربه به فرمانده‌ی کریس فرگوسن در آتلانتیس به سمت ایستگاه فضایی بین‌المللی حرکت کردند. خلبان پرواز داگ هرلی و متخصصان مأموریت سندی مگنوس و رکس وال‌هایم دیگر اعضای سرنشین بودند.
این ماموریت ۱۳ روزه بیش از ۹۴۰۰ پوند قطعات، تجهیزات یدکی و سایر لوازم را حمل کرد. با اتمام مأموریت، آتلانتیس و خدمه آزمایشگاه مدار را ترک کردند و در بیست و یکم ژوئیه به زمین بازگشتند.
