Jako čtvrtý postavený raketoplán Atlantis těžil ze zkušeností, které získali inženýři NASA při stavbě předchozích raketoplánů. Když byl dokončen, vážil přibližně o 3000 kg méně než raketoplán Columbia a jeho stavba zabrala poloviční dobu. Komponenty, které nebyly při stavbě využity, byly později použity při stavbě pátého raketoplánu, kterým je Endeavour. První mise raketoplánu Atlantis (STS-51-J) se uskutečnila ve dnech 3. – 7. října 1985 a byla to jedna z celkem pěti misí raketoplánu, které měly tajné vojenské poslání. Od roku 1995 uskutečnil Atlantis celkem sedm letů k ruské vesmírné stanici Mir. Během druhého letu byl ke stanici připojen spojovací modul, který při dalších misích umožnil provádět výměny astronautů. Od listopadu 1997 do července 1999 procházel Atlantis rekonstrukcí, při které bylo provedeno okolo 165 modifikací. Mise, které od té doby Atlantis uskutečnil, směřovaly k Mezinárodní vesmírné stanici. Výjimku tvoří let STS-125 z května 2009, kdy se raketoplán Atlantis vydal na opravu Hubbleova vesmírného dalekohledu (HST), zajistit mu tak životnost minimálně do roku 2013. Atlantis měl podle původních plánů odejít do výslužby v roce 2008, avšak na konci roku 2007 bylo rozhodnuto o následných dodatečných dvou výpravách k ISS – STS-129 a STS-132. Později o misi STS-135. Jeho provoz byl definitivně ukončen dne 21. července 2011, stal se tak posledním americkým raketoplánem v dosavadní historii.