STS-117 startete von Cape Canaveral (KSC) und landete auf der Edwards AFB, Runway 22. Eigentlich war der Start bereits für den 15. März 2007 vorgesehen, doch Schäden, die durch einen Hagelsturm am 26. Februar 2007 am Shuttle auf der Startrampe entstanden, führten zu einer Verschiebung des Starttermins. Für die Reparaturarbeiten insbesondere an den Hitzeschutzkacheln war ein Rücktransport in die Montagehalle VAB erforderlich. Dort wurden auch die drei Haupttriebwerke ausgebaut. Es wurden mögliche Verunreinigungen in den Kraftstoffleitungen vermutet, weil bei Wartungsarbeiten in der Schwesterfähre Discovery Silikonrückstände entdeckt wurden. Mit Silikon werden seit einigen Jahren Abdrücke der Treibstoffleitungen angefertigt, um Risse in der Kraftstoffversorgung aufzuspüren.

Wegen der mehrmonatigen Verschiebung der Mission STS-117 gab die NASA Ende April 2007 bekannt, den erst für den nächsten Shuttle-Flug geplanten Austausch der amerikanischen Bordingenieure auf der Raumstation vorzuverlegen. Der für einen Start mit STS-118 vorgesehene Astronaut Clayton Anderson wurde der Atlantis-Crew zugeteilt, um seine seit Dezember 2006 auf der ISS arbeitende Kollegin Sunita Williams abzulösen. Durch die kleine Mannschaftsumstellung wurde erreicht, dass es in der zeitlichen Planung der ISS-Besatzungen zu keinen Verzögerungen kam.

STS-117 (ISS-13A ITS-S3 / ITS-S4) brachte das S3/S4-Element zur Internationalen Raumstation. Das Bauteil besteht aus der Gitterstruktur S3 und dem Solarzellenträger S4. Die Solarpaneele wurden nach der Installation ausgefahren. Außerdem wurde der zweite Flügel des Solarmoduls P6 eingefahren, um diesen später an seine endgültige Position bringen zu können.

Die Integrated Truss Structure (ITS; dt.: Integrierte Gitterstruktur) ist die tragende Gitterstruktur der Internationalen Raumstation (ISS). Sie bildet deren Rückgrat und ist senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet.
Die ITS ist wie die gesamte Raumstation modular aufgebaut. Die einzelnen Elemente tragen Bezeichnungen aus einer Buchstaben-/Zahlenkombination ("P" steht für Port, von engl. Backbord; "S" steht für Starboard, von engl. Steuerbord): P1, P3/P4, P5 und P6 sind in Flugrichtung links angeordnet, während auf der rechten Seite die Elemente S1, S3/S4, S5 und S6 montiert sind. Das Element S0 liegt in der Mitte und ist über das Destiny Labor mit dem bewohnten Teil der Station verbunden.
Die Integrated Truss Structure ist eine im Querschnitt trapezförmige, starre Leichtmetallstruktur mit zusätzlichen Querstreben. Für die Verbindung der einzelnen Segmente der Gitterstruktur existiert ein spezielles "Module-to-Truss Segment Attachment System". Für jede Verbindung gibt es einen fernbedienbaren Fangriegel, der beide Elemente zunächst locker verbindet und danach festgezogen wird. Außerdem greifen dann vier motorgetriebene Bolzen, die zusätzlich gesichert werden.

ITS-S3 / ITS-S4 bestehen jeweils aus zwei einzelnen Segmenten, die bereits vor dem Start miteinander verbunden wurden: die Gitterstrukturen P3 bzw. S3 und die Solarzellenträger P4 bzw. S4. Sie unterscheiden sich geringfügig voneinander: P3/P4 ist 13,81 Meter lang, 4,88 Meter breit, hat eine Höhe von 4,75 Meter und besitzt eine Masse von 15,8 Tonnen. S3/S4 ist 13,66 Meter lang, 4,96 Meter breit und 4,63 Meter hoch bei einer Masse von 16,2 Tonnen.
Das S3-Element ist über das SARJ-Gelenk (Solar Alpha Rotary Joint) drehbar mit dem S4-Element verbunden an dem sich zwei ausfaltbare Solarzellenflügel befinden, die der Energiegewinnung dienen. Die Flügel sind drehbar montiert und können so senkrecht zur Sonne ausgerichtet werden. Innerhalb der Gitterstruktur des S4-Elements befinden sich Akkus zur Speicherung der erzeugten Energie. Weiterhin befindet sich an dem Element auch ein Radiator, der überschüssige Wärme in den Weltraum abgibt und damit die Elektronik des Solarkollektors kühlt.

Nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn öffnete die Besatzung die Frachtraumtüren der Atlantis, testete den Greifarm RMS in seinen verschiedensten Funktionen, klappte die für das Rendezvous erforderliche Ku-Band-Antenne aus und begann mit der Angleichung der Flugbahn zur Internationalen Raumstation. Ebenso montierten sie im "Orbiter Docking System" die "Centerline Camera", die Kommandant Frederick Sturckow das spätere Docking erleichtern soll.
Außerdem wurde der Hitzeschild der Atlantis auf eventuelle Schäden untersucht, die beim Start durch sich vom Außentank ablösende Isolierschaumstücke entstanden sein könnten. Dabei wurde der OBSS-Inspektionsarm eingesetzt, der nach dem Columbia-Unglück entwickelt wurde. Der OBSS ist ein 15 Meter langer "Aufsatz", der mit dem Roboterarm des Shuttles verbunden wird. Der Kopf des OBSS ist mit Laser-Sensoren und hochauflösenden Kameras ausgestattet und tastet halbautomatisch die Hitzeschutzkacheln des Orbiters ab.

Den Gesetzen der Bahnmechanik folgend holte die Atlantis von ihrer ersten Umlaufbahn und weiteren Triebwerkszündungen in den folgenden beiden Tagen immer mehr zur Internationalen Raumstation auf. Am dritten Flugtag, dem 10. Juni 2007, hatte die Atlantis einen Punkt 15 Kilometer hinter der Raumstation erreicht. Für den Anflug im Rahmen des sogenannten "R-Bar Approach" musste das Space Shuttle nochmals seine Bahn senken, sodass sich die Atlantis schließlich etwa 180 Meter unterhalb der Internationalen Raumstation befand. Ab dieser Distanz übernahm Frederick Sturckow die manuelle Steuerung und flog entlang des sogenannten "R-Bar" (gedachte Verbindungslinie zwischen der Raumstation und dem Erdmittelpunkt) hinauf zur ISS. In der Nähe der Station führte Frederick Sturckow ein spektakuläres 360°-Manöver - das Rendezvous Pitch Maneuver (RPM) - durch, wobei er die Raumfähre innerhalb weniger Minuten um ihre Querachse drehen ließ. Die Besatzung der Raumstation fertigte währenddessen hochauflösende Aufnahmen des Shuttle-Hitzeschildes an. Die Aufnahmen werden später zur Erde übertragen und von Fachleuten ausgewertet. Mit einer direkt vor der ISS reduzierten Annäherungsgeschwindigkeit auf zuletzt nur noch 3 Zentimeter pro Sekunde flog der Orbiter auf den Ankopplungsstutzen der Internationalen Raumstation zu. Wie die Kommandanten bei allen Kopplungsmissionen steuerte er den Raumgleiter von der hinteren Konsole im Flugdeck aus, weil er von dort freie Sicht auf die Raumstation hatte. Ohne Probleme konnte er sein Raumschiff an die ISS ankoppeln.

Nach den üblichen Dichtigkeitsprüfungen öffneten STS-117-Kommandant Frederick Sturckow und der Kommandant der ISS Expedition 15 Fjodor Jurtschichin die Luken zwischen den beiden Raumfahrzeugen. Clayton Anderson baute seinen im Space Shuttle mitgebrachten Schalensitz in das angedockte Raumschiff Sojus TMA-10 ein. Dies geschah nur als Vorsichtsmaßnahme für den Fall einer überhasteten Rückkehr vor Abholung durch das nächste Space Shuttle. Damit gehörte er offiziell zur 15. Besatzung der Raumstation. Im Gegenzug baute Sunita Williams ihren Schalensitz aus dem Sojus-Raumschiff aus und wurde damit Mannschaftsmitglied von STS-117. Im Mitteldeck der Atlantis war ein Liegesitz für sie eingebaut, um ihr bei der Landung die Anpassung an die Schwerkraft zu erleichtern.

Noch am gleichen Tag wurde gegen 21:20 UTC das S3/S4-Segment aus der Nutzlastbucht der Atlantis gehievt und an den Stationsarm weitergegeben. Zudem wurden zur Vorbereitung auf den ersten Außenbordeinsatz (EVA) die Raumanzüge von der Shuttle- zur Stationsluftschleuse Quest gebracht, wo James Reilly und John Olivas die Nacht verbrachten. Während dieses sogenannten Campouts atmeten sie in der Luftschleuse reinen Sauerstoff unter geringerem Druck.

Die erste EVA unternahmen James Reilly und John Olivas am 11. Juni 2007 (6h 15m) zur Befestigung von elektrischen Strom-, Kühlungs- und Datenkabeln zum Beginn der Aktivierung des S3/S4-Trägers und Vorbereitung der Aktivierung des Solar Alpha Rotary Joint (SARJ). Dazu gehörten das Abmontieren und Umsetzen von Halterungsbolzen und das Anbringen der Vorrichtungen, in denen die neuen Sonnenkollektoren verankert werden.

Im Verlauf des 11. Juni 2007 entschied die Flugleitung nach intensiven Beratungen, die Mission um zwei Tage zu verlängern und einen vierten Weltraumausstieg in den Flugplan zu integrieren. Während dieser EVA sollte die Isoliermatte an der Backbord-OMS-Gondel des Orbiters repariert werden, an der kurz nach dem Start eine Beschädigung entdeckt worden war

Der 12. Juni 2007 brachte mit der Entfaltung der S4-Solarpaneele eine signifikante Änderung des Stationsäußeren. Zunächst wurde der vordere Flügel halb und nach einiger Zeit komplett ausgefahren, bevor er in die Arbeitsposition gedreht wurde. Danach wurde mit dem hinteren Paneel ebenso verfahren. Das Entfalten erfolgte stufenweise, damit sich die Flügel in der Sonne erwärmen konnten. So wird verhindert, dass die einzelnen Lamellen aneinanderkleben. Dieses Problem trat beim Ausrollen des ersten Solarmoduls während STS-97 auf, als die Tafeln in einem Durchgang ausgeklappt wurden. Die Flächen des P6-Kollektors entfalteten sich ruckartig, was wellenartige Bewegungen entlang des Mastes verursachte. Dadurch schlugen die Solarzellen, die sich noch im Transportkanister befanden, gegen dessen Wände.

Die zweite EVA durch Patrick Forrester und Steven Swanson erfolgte am 13. Juni 2007 (7h 16m) zur Fortsetzung der Aktivierung des S3/S4-Trägers und Assistenz beim Abbau des an Steuerbord befindlichen Sonnensegels am P6-Träger. Dabei konnten sie zwar alle Halterungen lösen, aber einige Haltegriffe nicht. Das wurde auf den nächsten Ausstieg verschoben. Nach dieser EVA traten unerwartete Probleme mit den Navigationscomputern aus dem russischen Sektor auf, die fast vollständig ausfielen. Im Laufe der Tage, gelang es den russischen Kosmonauten der ISS, mit viel Improvisationstalent und Bodenunterstützung die Computer wieder zum Laufen zu bringen; die Mission musste somit nicht abgebrochen werden. Infolge der Probleme und der verzögerten Arbeiten entschied man sich sogar, die Mission zu verlängern.

Weil nur 13 der 31 Lamellen des P6-Moduls zusammengefaltet werden konnten, wurde am siebten Missionstag, dem 14. Juni 2007, ein weiterer Versuch unternommen. Dreieinhalb Stunden lang gab die Bodenstation das Kommando zum Einrollen, trotzdem war der Erfolg gering. Der Flügel war noch immer bis zur Hälfte ausgefahren. Deshalb wurde entschieden, das Paneel-Problem während des dritten Ausstiegs am folgenden Tag anzugehen.

Daneben hatten die ISS-Bewohner mit Computerproblemen zu kämpfen: Im russischen Teil der ISS fielen während des Entfaltens der S4-Solarpaneele drei Rechner gleichzeitig aus, die unter anderem für die Lagekontrolle der Station zuständig sind. Nach Auskunft der NASA hätte die Besatzung im schlimmsten Fall die Station verlassen müssen, falls das Problem nicht behoben würde. Die Lageregelung wurde an die Atlantis übergeben. Nach mehreren Stunden konnte einer der drei Rechner wieder gestartet werden.

Danach wurde versucht, auch die anderen Computer zu starten. Dabei wurden eine Reihe von Feueralarmen produziert, die die Besatzungen eine Stunde früher als vorgesehen weckten. Nach und nach gelang es, alle Rechner wieder zu starten. Direkt danach wurde mit den Triebwerken des Sarja-Moduls eine Kurskorrektur durchgeführt. Nach wenigen Minuten stürzten alle Rechner erneut ab. Während dieser Zeit führte die Atlantis die Kurskorrekturen aus. Da allerdings die Treibstoffreserven der Fähre begrenzt waren, mussten die Computer vor dem Abdocken wieder stabil laufen. Die NASA wies die Raumfahrer an Energie zu sparen, um für die Atlantis einen zusätzlichen Andocktag zu erreichen und den Computerexperten mehr Zeit zu geben. Als Grund wurde unter anderem vermutet, dass der Ausfall durch elektromagnetische Interferenzen des neu installierten S3/S4-Elements verursacht wurde.

Die dritte EVA wurde wieder durch James Reilly und John Olivas am 15. Juni 2007 (7h 58m) ausgeführt. Sie diente der Entfernung der restlichen Sicherungsbolzen des Solar Alpha Rotary Joint (SARJ), um es zu aktivieren und zur Reparatur des Hitzeschildes der Atlantis. Ein Hitzekachel war beim Start teilweise hochgeklappt und musste von John Olivas wieder in die richtige Position gebracht und fixiert werden.

Die vierte und nicht geplante EVA unternahmen Patrick Forrester und Steven Swanson am 17. Juni 2007 (6h 29m). Dabei wurden abschließende Arbeiten zur Aktivierung des Solar Alpha Rotary Joint (SARJ) durchgeführt. Zu den weiteren Arbeiten gehörten das Umsetzen einer GPS-Antenne, die Installation eines Computer-Netzwerkkabels an Unity und Arbeiten am Schutzschild des Destiny-Labors.

Am 19. Juni 2007 koppelte die Atlantis-Besatzung mittels Federkraft wieder von der ISS ab. Dadurch werden Beschädigungen oder Verunreinigungen der Station vermieden. Erst danach wurden die Steuerungstriebwerke aktiviert und die Raumfähre entfernte sich von ihr bis zu einer Distanz von etwa 150 Meter. Von dort aus umflog Lee Archambault die Orbitalstation eineinhalb Mal, ehe die Triebwerke der Atlantis erneut gezündet wurden und der Raumgleiter seine Distanz vergrößerte. Der Orbiter stoppte dann in einer Entfernung von etwa 75 Kilometer. Mit Hilfe des OBSS wurde eine letzte Überprüfung des Hitzeschutzschildes vorgenommen. Im Notfall hätte das Space Shuttle zur Internationalen Raumstation zurückkehren können.
Während der Fotoarbeiten wurden mehrere große Objekte beobachtet, die sich von der ISS wegbewegten. Auch im weiteren Verlauf des Tages beobachtete die Shuttle Crew weitere Objekte. Vermutlich handelt es sich dabei um Eis.

Wegen ungünstiger Windverhältnisse in Florida musste die Mission um einen weiteren Tag verlängert werden.

Clayton Anderson ist am 07. November 2007 um 18:01:16 UTC mit STS-120 gelandet.