STS-104 startete von Cape Canaveral (KSC) und landete auch wieder auf Cape Canaveral (KSC), Runway 15.

Die höchste Priorität hatte auf diesem Flug (ISS-10-7A Joint Airlock) die Anlieferung und Installation einer auf den Namen Quest getauften Luftschleuse. Um die Masse des Systems von 6,5 Tonnen sicher bewegen zu können, wurde der mit der STS-100 gelieferte Roboterarms Canadarm2 benötigt. Mit diesem Ausrüstungsgegenstand war die Phase 2 des Aufbaus der ISS abgeschlossen. Insgesamt blieb die Atlantis 8 Tage mit der ISS verbunden, an denen 3 EVAs durchgeführt wurden.

Quest dient als Ausstiegsschleuse für Außenbordarbeiten und kann sowohl mit amerikanischen als auch mit russischen Raumanzügen benutzt werden. Es besteht vor allem aus Aluminium, hat eine Leermasse von 6,1 t, ein Volumen von 34 m³, eine Gesamtlänge von 5,5 m sowie einen maximalen Durchmesser von 4,0 m.
Quest besteht aus zwei Sektionen: In der ersten, größeren Gerätesektion (Equipment Lock) bereiten sich die Raumfahrer auf ihren Ausstieg vor, legen die Raumanzüge an und testen deren korrekte Funktion. Nach dem Ausstieg werden hier außerdem Wartungsarbeiten an den Anzügen durchgeführt. Dazu gehört das Aufladen der Batterien und das Nachfüllen der Sauerstofftanks. Die zweite, schlankere Sektion (Crew Lock) ist die eigentliche Luftschleuse. Über spezielle Vakuumpumpen wird vor dem Öffnen der Außenluke die Luft in einen Tank evakuiert. Ansonsten entspricht dieser Teil des Moduls den bisher in amerikanischen Shuttles verwendeten Schleusen.
An der Außenseite der Schleuse befinden sich zwei große Sauerstoff- und zwei Stickstofftanks. Sie haben einen Durchmesser von 0,9 m, eine Masse von je 545,4 kg, bestehen aus Kohlefaserverbundmaterial, fassen 0,42 m³ Hochdruck-Gas und sind mit einem mehrschichtigen Meteoritenschutz ausgestattet. Außerdem verfügt das Schleusenmodul über Plattformen und Halterungen sowie Energie- und Kommunikationsanschlüsse.
Quest gehörte zu den zwingend erforderlichen Modulen der im Aufbau befindlichen Raumstation, da die amerikanischen Raumanzüge wegen größerer Abmessungen nicht durch die russischen Luftschleusen passen. Quest ist für Raumanzüge aus beiden Nationen geeignet.

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 Steven Lindsey das spätere Docking erleichtern soll.

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 14. Juli 2001, 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 Steven Lindsey die manuelle Steuerung und flog entlang des sogenannten "R-Bar" (gedachte Verbindungslinie zwischen der Raumstation und dem Erdmittelpunkt) hinauf zur ISS. Nach den üblichen Haltepunkten bei 52 Meter und 9 Meter vor der ISS reduzierte er die Annäherungsgeschwindigkeit auf zuletzt nur noch 3 Zentimeter pro Sekunde. 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 der erfolgreichen Ankopplung wurden zunächst die Luken geöffnet, sodass sich die beiden Mannschaften begrüßen konnten. Auch begannen sie mit dem Transport von Ausrüstungsgegenständen. Dazu gehören insbesondere Wasserbehälter für die ISS Expedition 2. Am Ende dieses Tages wurden die Luken der Raumfahrzeuge zur Vorbereitung der Außenbordarbeiten wieder geschlossen. Dadurch konnte der Kabinendruck im Space Shuttle abgesenkt werden. So lässt sich die Vorbereitungszeit der EVA-Astronauten in der Luftschleuse verkürzen, die dort reinen Sauerstoff atmen müssen.

Eine erste EVA unternahmen Michael Gernhardt und James Reilly am 14. Juli 2001 (5h 59m) zur Installation des Moduls Joint Airlock ("Quest") und zur Montage von zwei Sauerstofftanks. Zu Beginn des Außenbordeinsatzes hatte Susan Helms Quest mit Hilfe des Shuttle-Greifarms aus der Nutzlastbucht der Atlantis herausgehoben und am Modul Unity befestigt. Zuvor hatte Michael Gernhardt Isolationsmaterial von Andockpunkt der neuen Luftschleuse entfernt und für den Rücktransport zur Erde in der Luftschleuse der Atlantis verstaut. Nachdem Quest in Position gebracht worden war, schlossen Michael Gernhardt und James Reilly die notwendigen Strom- und Datenkabel an.

Nach einer über Nacht von den Flugkontrolleuren am Boden durchgeführten Dichtigkeitsprüfung, konnten die Astronauten an folgenden Tag erstmals die Luke zu Quest öffnen und die Systeme aktivieren. Am Ende des Arbeitstages wurden zur Vorbereitung der nächsten EVA wieder sämtliche Luken verschlossen.

Die zweite EVA erfolgte durch Michael Gernhardt und James Reilly am 18. Juli 2001 (6h 26m) zur Montage eines Sauerstofftanks und eines Stickstofftanks. Susan Helms hatte mit Hilfe des Shuttle-Greifarms die beiden Tanks aus der Nutzlastbucht der Atlantis herausgehoben und sie zur neuen Schleuse Quest transportiert. Michael Gernhardt und James Reilly konnten dann die notwenigen Anschlussarbeiten abschließen.

Die dritte und letzte EVA (erstmals aus der neuen Luftschleuse der ISS, Quest) wurde ebenfalls durch Michael Gernhardt und James Reilly am 20. Juli 2001 (4h 01m) zur Montage der beiden weiteren Sauerstofftanks und eines Stickstofftanks ausgeführt. Die Arbeiten verliefen im Wesentlichen ähnlich wie beim zweiten Außenbordeinsatz. Schließlich montierten Michael Gernhardt und James Reilly noch einige Haltegriffe an der Luftschleuse Quest sowie Isolierungen an den Tanks.

In der übrigen Zeit waren die Astronauten und Kosmonauten mit dem Transport weiterer Verbrauchs- und Ausrüstungsgüter sowie einigen Experimenten von der Atlantis in die Internationale Raumstation beschäftigt.

Am 22. Juli 2001 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 Charles Hobaugh die Orbitalstation einmal, ehe die Triebwerke der Atlantis erneut gezündet wurden und der Raumgleiter seine Distanz vergrößerte.