Start proběhl hned na první pokus, což je poměrně neobvyklé. Jediným vážnějším problémem, který se během závěrečné části odpočítávání vyskytl, bylo špatné počasí na obou záložních základnách v Evropě, na kterých by raketoplán přistával v případě poruchy. Nakonec se ale počasí umoudřilo na základně ve Francii a Atlantis mohl odstartovat.

Minutu po startu Atlantis už dosahoval rychlosti téměř 6000 kilometrů za hodinu. Dvě minuty po startu se podle plánu oddělily dvě pomocné startovací rakety, které zpočátku poskytují čtyři pětiny tahu. Dopadly do Atlantiku, odkud budou vyloveny k opětovnému použití.

O osm minut později, po zastavení tří motorů, se oddělila i vnější nádrž. Raketoplán se dostal na oběžnou dráhu ve výši 225 kilometrů od Země a k vystoupání na 350 kilometrů postačí dva menší motory, které stroji umožní připojit se k ISS. Podle plánu by se tak mělo stát v neděli krátce po 21:30 SELČ.

"Je to velmi dobrý den pro americký vesmírný program," prohlásil Rex Geveden z Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA). Jeho kolega Wayne Hale na tiskové konferenci dodal, že analýzy záběrů ze startu neodhalily žádné úlomky izolace během kritického okamžiku.

V roce 2003 právě poškození tepelné izolace raketoplánu Columbia při startu zavinilo katastrofu při návratu do atmosféry. Start Atlantisu byl však označen za bezproblémový.

Velitel Rick Sturckow a astronauté James Reilly a Patrick Forrester mají na kontě dohromady pět misí. Pro Leeho Archambaulta, Stevena Swansona, Dannyho Olivase a Claytona Andersona je to první let. Anderson na ISS vystřídá Sunitu Williamsovou, která se s Atlantisem vrátí na Zem.

Atlantis na ISS dopraví třetí pár solárních panelů potřebný k dostavbě stanice. Posádka má v plánu také tři výstupy do volného kosmu a eventuálně je připravena i na čtvrtý. NASA si rovněž nechává otevřenou možnost, že mise může být rozšířena na 13 dní, pokud se úkoly nepodaří splnit v zatím plánovaných jedenácti dnech.

Raketoplán se měl původně vydat do vesmíru už v březnu. Koncem února ale došlo během bouře k poškození vnější palivové nádrže i raketoplánu kroupami a sestava musela ze startovací rampy zpět do montážní haly.