Atlantis a quitté l'avant-poste orbital à 4h53. Le pilote de la navette, Barry Wilmore, a ensuite fait le tour de l'ISS et mis à feu le système de propulsion à deux reprises à 6h04 puis 6h32. La navette a ensuite commencé à s'éloigner de l'ISS à la vitesse de 46 cm par seconde, a indiqué l'agence spatiale américaine

Au cours de leur mission de 11 jours, les astronautes ont effectué trois sorties spatiales pour installer des équipements destinés à compléter l'installation de l'ISS. L'un d'entre eux, le spécialiste de mission Randy Bresnik, fera connaissance à son retour sur terre avec sa seconde fille, née pendant la mission.

Les trois sorties spatiales ont permis notamment d'installer une antenne de rechange sur l'ISS, deux antennes sur le laboratoire européen Columbus dont l'une va servir à l'identification automatique du trafic maritime et la seconde au système de radio amateur de la station ainsi qu'un réservoir à oxygène à haute pression sur le sas de pressurisation Quest.

La navette ramène sur terre l'astronaute Nicole Stott, qui se trouvait sur l'ISS depuis août, où elle faisait partie de l'équipage permanent de la Station dont le nombre est passé à six en mai.

Jeudi, l'astronaute belge de l'Agence spatiale européenne (ESA) Frank De Winne a passé les commandes de l'ISS à l'Américain Jeff Williams, qui se trouve à bord depuis octobre. Frank De Winne, le cosmonaute russe Roman Romanenko et l'astronaute canadien Robert Thirsk doivent quitter la station à bord d'un vaisseau russe Soyouz le 1er décembre après 188 jours dans l'espace.

Après Atlantis, qui a effectué le cinquième et dernier vol d'une navette en 2009, il en restera six avant que les trois orbiteurs demeurant dans la flotte américaine soient définitivement cloués au sol en septembre 2010 ou au début 2011.