Di antara armada National Aeronautics and Space Administration, atau NASA, pengorbit luar angkasa, pesawat ulang-alik Atlantis hanya satu dari tiga pengorbit yang tersisa yang masih digunakan. Bersamaan dengan pesawat ulang-alik Endeavour dan pesawat ulang-alik Discovery, pesawat ulang-alik Atlantis adalah pesawat yang mampu melakukan perjalanan ke luar angkasa, dan telah melakukan beberapa perjalanan ke Stasiun Luar Angkasa Internasional serta Teleskop Luar Angkasa Hubble. Ia juga telah melakukan tujuh perjalanan ke bekas Stasiun Luar Angkasa Rusia Mir.
Pembangunan pesawat ulang-alik Atlantis dimulai pada tahun 1980 setelah kontrak diberikan kepada Rockwell International pada tahun 1979. Itu selesai pada tahun 1984 dan siap diluncurkan pada akhir tahun 1985. Sejak selesai, pesawat ulang-alik Atlantis menyelesaikan lebih dari 30 misi dan telah menjadi tuan rumah untuk hampir 200 awak, dan lebih dari 150 orang telah berada di penerbangan Atlantis. Pesawat ulang-alik Atlantis dinamai RV Atlantis, sebuah kapal layar bertiang dua yang bertindak sebagai kapal penelitian antara tahun 1930 dan 1966. Pesawat ulang-alik Atlantis dijadwalkan untuk mengakhiri layanannya pada Mei 2010.
Seperti pengorbit pesawat ulang-alik lainnya di armada NASA, pesawat ulang-alik Atlantis lepas landas secara vertikal dari platform peluncuran. Pengorbit pesawat ulang-alik terhubung ke muatan bahan bakar dan roket, yang mendorong pengorbit ke luar angkasa. Pesawat ulang-alik kembali memasuki atmosfer bumi dan bertindak sebagai pesawat layang, meluncur kembali ke permukaan bumi untuk mendarat. Saat berada di luar angkasa, pesawat ulang-alik mampu melakukan banyak aktivitas yang diperlukan untuk menjaga agar program luar angkasa NASA tetap berjalan; astronot telah melakukan perbaikan pada Teleskop Luar Angkasa Hubble, mengirimkan barang dan peralatan ke Stasiun Luar Angkasa Internasional, dan mengerahkan penyelidikan planet dari Atlantis selama masa jabatannya sebagai pesawat ulang-alik aktif.
Ketika Atlantis berada di bumi, ia diberi tekanan pada tingkat yang berbeda dari pada di luar angkasa; selama penerbangan luar angkasa, pesawat ulang-alik Atlantis mengembang karena berbagai gaya dan tekanan yang diberikan pada kapal. Pada satu titik dalam sejarah penerbangannya, sebuah kenop kecil tersangkut di antara jendela dan dasbor di pesawat ulang-alik. Ketika pesawat ulang-alik mendarat, kenop ditemukan, tetapi karena pesawat ulang-alik mengecil ketika mencapai bumi, kenop tidak dapat dilepas. Pesawat ulang-alik harus diberi tekanan artifisial sehingga kenop bisa dibekukan dan kemudian dilepas, sehingga kerusakan minimal pada struktur pesawat ulang-alik. Ini mencegah penundaan yang lama dalam jadwal penerbangan Atlantis.