Nach der Rückkehr der Raumfähre „Atlantis“ von ihrer ISS-​5 A Mission zur Internationalen Raumstation im Februar 2001 sahen die Planungen den nächsten Flug des Orbiters, ebenfalls eine ISS Montagemission, für den Juni 2001 vor. Ein früherer Start wurde ausgeschlossen, da zwischen dem 18.05. und 07.06.2001 der Sonnenstand relativ zur ISS für ungünstige thermische Bedingungen sorgte. Docking– und Außenbordmanöver während dieser Zeit wären unnötig schwierig und riskant gewesen. Am 31.05.2001 wurde eine Verschiebung des Starttermins auf Anfang Juli 2001 bekanntgegeben. Die zusätzliche Zeit wurde benötigt, um die Probleme mit dem im April 2001 an der ISS montierten Canadarm2 weiter zu analysieren. Schließlich wurde der 12.07.2001 als frühester Starttermin bestätigt. Dieses Datum konnte auch gehalten werden, obwohl die „Atlantis“ am 20.06.2001 nach dem Rollout aus dem VAB zur Startrampe nochmals kehrtmachte, nachdem die Meteorologen die Gefahr von Blitzeinschlägen in der Nähe der Rampe während eines aufziehenden Gewitters ausgemacht hatten. Am 12.07.2001 um 09:04 UTC hob die „Atlantis“ vom selten genutzten Startkomplex Pad 39 B zum Unternehmen ISS-​7 A ab. Mit dem U.S. Joint Airlock Module „Quest“ transportierte die „Atlantis“ F-​24  Mission STS-​104  eines der zentralen Elemente für den weiteren Ausbau der ISS. Das über 6 Tonnen schwere Modul basierte auf der Luftschleuse des Space Shuttle und ermöglichte es zukünftig, Außenbordmanöver mit US Raumanzügen von der ISS aus zu unternehmen. Während für die russischen Raumanzüge nämlich eine Luftschleuse am „Swjesda“ Modul bereitstand, konnten die Astronauten in ihren Raumanzügen die Station bisher nur verlassen, wenn ein Shuttle angedockt war. Den 42-​stündigen Anflug auf die ISS nutzte die fünfköpfige Shuttle Crew, Kommandant Steven Lindsey, Pilot Charles Hobaugh sowie die Missionsspezialisten Michael Gernhardt, Janet Kavandi und James Reilly zur Vorbereitung auf das Docking bzw. die anstehenden Montagearbeiten. Dabei wurde in einem der Raumanzüge eine Verunreinigung durch ausgetretene Batteriesäure festgestellt. Ein ernstes Problem stellte das aber nicht dar. Am 14.07.2001 um 03:08 UTC koppelte die „Atlantis“ am PMA-​2  der Station an. Nach dem Herstellen des Druckausgleichs konnte die Besatzung der ISS ihre Gäste wenig später begrüßen. Die Astronauten nutzten das persönliche Gespräch auch dazu, das Vorgehen für die Montage von „Quest“ am nächsten Tag abzustimmen. Denn hierfür war die koordinierte Zusammenarbeit der Manipulatorarme von ISS und Shuttle erforderlich. Gernhardt und Reilly begaben sich am 15.07.2001 ab 03:10 UTC während ihrer ersten EVA zunächst in die Nutzlastbucht des Shuttle. Hier legten sie einige Anschlußpunkte frei, bevor ihre Kollegin Susan Helms „Quest“ mit dem Manipulatorarm der ISS aus der Nutzlastbucht des Shuttle heraushob. Gernhardt und Reilly hatten sich inzwischen zum Docking-​Port am „Unity“ Modul begeben, um ihr bei dem Manöver helfend beiseite stehen zu können. Der Transfer verlief reibungslos und 16 motorbetriebene Bolzen verschraubten die Module sicher miteinander. Damit konnten sich die beiden außenbords arbeitenden Astronauten ihren weiteren Aufgaben widmen. Kabel mußten verbunden und Handgriffe bzw. Fußtritte montiert werden. Schwierigkeiten bereitete dabei eines der Geländer, das sich nicht anbringen ließ und darufhin wieder zurückgebracht wurde. Abgesehen davon verlief das 5:59 h dauernde Manöver aber sehr erfolgreich. Auch eine erste Inspektion des innenliegenden Luftschleusenbereichs durch die Crew der ISS verlief erfreulich. Allerdings wurde am nächsten Tag ein kleines Leck entdeckt, das auf ein defektes Ventil zurückgeführt werden konnte. ISS Bordingenieur James Voss baute daraufhin ein vorläufig noch ungenutztes Ventil an einem anderen Port von „Unity“ aus, um mit diesem das defekte Exemplar zu ersetzen. Am 18.07.2001 ab 03:04 UTC unternahmen Gernhardt und Reilly ihr zweites Außenbordmanöver. Ihre Aufgabe war diesmal die Montage von Druckgas-​Behältern an der Luftschleuse. Die Atemluft-​Tanks befanden sich auf zwei Spacelab Paletten in der Shuttle Nutzlastbucht und wurden von Bordingenieurin Helms mit dem Canadarm2 zur Montagestelle herübergehoben. Für Irritationen sorgte dabei der erste Tank, aus dem nach dem Öffnen der Ventile kein Sauerstoff in dei Luftschleuse strömte. Während die Astronauten die nächsten Tanks montierten, untersuchte man am Boden das Problem. Wie sich herausstellte, waren lediglich die Ventile falsch beschriftet. Nach dem Öffnen der richtigen Ventile funktionierte alles planmäßig. Da trotz dieses Problems die Arbeiten gut vorankamen, wurde die EVA verlängert, um den Astronauten die Möglichkeit zu geben, außerplanmäßig noch einen dritten Tank anzubringen. Ihre EVA dauerte daher 6:29 h. Nachdem am nächsten Flugtag das defekte Ventil am „Quest“ Modul ausgetauscht worden war, konnten Gernhardt und Reilly mit den Vorbereitungen auf ihre dritte EVA beginnen. Denn diese sollte erstmals aus der neu montierten Luftschleuse erfolgen. Die am 21.07.2001 um 04:35 UTC gestartete Generalprobe für spätere Routineoperationen verlief reibungslos, ebenso die nachfolgenden Montagearbeiten von weiteren vier Sauerstoff– und Stickstoff-​Tanks. Bereits nach 4:02 h kehrten Gernhardt und Reilly daher in die „Quest“ Luftschleuse zurück. Ihre Kollegen hatten unterdessen Vorräte ausgetauscht und sich mit einigen Routineexperimenten beschäftigt. Aufgrund des außerplanmäßigen Ventilaustauschs war die Mission bereits um einen Tag verlängert worden, was dazu beitrug, keinen unnötigen Zeitdruck aufkommen zu lassen. Am 22.07.2001 um 04:54 UTC lösten sich die Halteklauen, die die „Atlantis“ mit der ISS verbanden. Starke Federn drückten die Raumschiffe voneinander weg, bevor Pilot Hobaugh die Manövertriebwerke des Shuttle zündete. Nach einem Umfliegen der ISS steuerte die „Atlantis“ auf eine eigene Bahn. Wenig später erhielt die Shuttle Crew die Nachricht, daß sie nicht wie vorgesehen am 23.07.2001 in Florida landen würden. Schwere Regenfälle machten dies unmöglich. Doch für den nächsten Tag sah die Prognose besser aus. Ohne Schwierigkeiten steuerte die „Atlantis“ Runway 15 des KSC an und setzte dort, von Norden kommend, am 25.07.2001 um 03:39 UTC nach einem Flug von 306:35 h auf.