Екіпаж Атлантиди прибув також рано у вівторок: Космічний центр Джонсона розбудив астронавтів о 02:59 за східним часом (20:59 за угорським часом). Пісня для пробудження була однією зі спеціалістів місії, улюбленою піснею Рекса Вальгейма, пісня More from Matthew West.
Основною подією п’ятого польоту Атлантиди є єдиний вихід у космос на місії STS-135. Два американські члени поточного екіпажу МКС, Майк Фоссум і Рон Гаран, підготувалися до шести з половиною годин пригоди. Раніше організація космонавтів була підготовлена до виходу в космос, провевши ніч під низьким тиском у шлюзі, але новий протокол був випробуваний на останній місії космічного човника, і цього разу він був застосований.
Фоссум і Гаран протягом години вдихали чистий кисень, знижуючи тиск навколо них. Потім астронавти взяли скафандри (оскільки Фоссум був начальником Гарана на космічній доріжці, йому дали костюм із червоними смугами), а потім виконували вправи протягом п’ятдесяти хвилин. Цей протокол готує астронавтів до виходів у космос так само, як ніби вони кемпінгують біля шлюзу, але використовує менше кисню із запасів МКС.
Фоссум і Гаран розпочали вихід у космос у вівторок вранці о 9:22 ранку (за угорським часом о 15:22). Вальгейм скеровує їх з борту Атлантиди, а інший спеціаліст місії Сенді Магнус допомагає їм із роботом-рукою МКС.
Під час виходу в космос вони демонтували аміачний насос в системі охолодження, яка вийшла з ладу минулого року, і поставили його в Атлантиду. Потім від вантажу космічного човника експериментальний пристрій під назвою Роботозаправна місія встановлюється на маніпуляторі Dextre на космічній станції. Згодом нові зразки будуть відведені до серії експериментів з матеріалознавства MISSE 8 для вивчення впливу космічних умов, а виступаючий кабель від модуля ISS Zarija буде замінений. Якщо все піде добре, роботи будуть завершені незадовго до десятої години за угорським часом.
Фоссум і Гаран - досвідчені та звичні пари. Це вже сьомий і четвертий вихід у космос Фоссума, три були зроблені разом під час місії STS-124. Нинішній 160-й службовий космічний похід на МКС і 249-й у космічному польоті США.