Im Rahmen des Shuttle-​Mir Programms startete am 12.01.1997 um 09:27 UTC von Cape Canaveral die US Raumfähre „Atlantis“. Ziel der STS-​81  „Atlantis“ F-​18  Mission war der Austausch von 2.715 kg Versorgungsgütern, Ausrüstungsgegenständen und Forschungsergebnissen zur Mir. Außerdem stand die Ablösung des NASA Vertreters an Bord der Mir an. Auch dieser Start hatte sich verzögert, nachdem an den Boostern von STS-​79  und STS-​80  starke Erosionserscheinungen im Bereich der Triebwerksdüsen festgestellt worden waren. Vom 05.12.1996 rutschte der Starttermin so auf den 16.01.1997, konnte aber schon bald wieder auf den 12.01.1997 vorgezogen werden. Die unmittelbaren Vorbereitungen des Starts verliefen absolut reibungslos, wie auch der Countdown selbst. Nach dem Start konzentrierten sich die Aktivitäten der Missionsspezialisten John Grunsfeld, Marsha Ivins und Peter Wisoff vor allem auf die Inbetriebnahme der mitgeführten Experimente auf den Gebieten Technologie, Erderkundung, Biologie, Medizin und Mikrogravitation. Diese waren im Spacehab-​Doppelmodul in der Nutzlastbucht und auf dem Zwischendeck der Mannschaftskabine untergebracht. Unterstützt wurden die drei Astronauten von ihrem Kollegen Jerry Linenger, der unterwegs zu einem mehrmonatigen Aufenthalt auf der Mir war. Kommandant Michael Baker und Pilot Brent Jett steuerten unterdessen die Raumstation Mir an. Nach zwei Tagen koppelte die „Atlantis“ am 15.01.1997 um 03:55 UTC an der Raumstation an. Nach der Begrüßung durch Waleri Korsun und Alexander Kaleri sowie John Blaha begann der Austausch der Versorgungsgüter und Forschungsergebnisse. Angeliefert wurden 700 l Wasser sowie 1.806 kg wissenschaftliches Material und Ausrüstungsgegenstände. Für die Auswertung am Boden wurden im Gegenzug 1.181 kg an Forschungsergebnissen übernommen, darunter u.a. empfindliche biomedizinische Proben, die Ergebnisse von Experimenten zur Zellzüchtung und Weizenpflanzen aus dem Miniatur-​Gewächshaus der Mir. Auch mußte Blahas Sitzschale im angekoppelten Sojus Raumschiff gegen die von Linenger ausgetauscht werden. Während des gemeinsamen Fluges der Raumfahrzeuge wurde das Verhalten des gekoppelten Systems hinsichtlich von Schwingungen durch diverse Sensoren untersucht. Das war einerseits einer Sicherheitsmaßnahme und andererseits eine Vorbereitung auf den Aufbau der geplanten Internationalen Raumstation. Am 20.01.1997 um 02:15 UTC koppelte die „Atlantis“ schließlich wieder von der Raumstation ab und manövrierte mit äußerster Vorsicht bis auf ca. 140 m Abstand. Dann begann das Shuttle zwei Umflüge der Mir in durchschnittlich 170 m Abstand, die genutzt wurden, um den Zustand des Orbitalkomplexes ausführlich fotografisch zu dokumentieren. Nach knapp zwei Stunden setzte sich die „Atlantis“ dann von der Raumstation ab und ihre Mannschaft widmete sich noch einmal den eigenen Experimenten KidSat, Biorack, CREAM (Cosmic Ray Effects and Activation Monitor), OSVS (Orbiter Space Vision System) und MSX (Midcourse Space Experiment) in der Kabine sowie den umfangreicheren Experimenten im Spacehab. So ergab sich auch die Gelegenheit, erneut ein für die spätere ISS (damals noch „Alpha“ genannt) neuentwickeltes Laufband zu testen, das kaum noch störende Vibrationen auf die Experimente an Bord übertragen sollte. Computerprobleme auf dem Hinflug zur Mir hatten die bisher gesammelten Daten des TVIS (Treadmill Vibration Isolation and Stabilization System) unbrauchbar gemacht. Die Daten des Experiments waren also so wichtig erachtet worden, daß man sogar frühzeitig eine Verlängerung der Mission um einen Tag in Betracht gezogen hatte. Um die Ressourcen der „Atlantis“ zu schonen, waren daher nach dem Docking an der Mir eine Reihe von Systemen heruntergefahren worden. Letztlich mußte die Verlängerungsoption aber nicht gezogen werden. Nach einer wetterbedingten zweieinhalbstündigen Verzögerung, sprich einem zusätzlichen Erdumlauf, landete die „Atlantis“ wie geplant am 22.01.1997 um 14:25 UTC in Florida auf der Runway 33 des KSC. Der Flug hatte 244:55 h gedauert. Blaha kehrte dagegen nach 3.077:28 h (128 Tagen) zur Erde zurück und wurde daher mit besonderem Interesse von den Raumfahrtmedizinern erwartet. Auffällig war sein schlechter Allgemeinzustand. Während seine Vorgängerin Shannon Lucid, die bereits im Verlauf der gesamten Mission sehr energisch gewirkt hatte, sich auch schon unmittelbar nach der Landung in guter Verfassung präsentierte, erschien Blaha als ihr komplettes Gegenteil. Bleich und kraftlos konnte er die gelandete Raumfähre nicht aus eigener Kraft verlassen oder sich auf den Beinen halten. Trotz einer um zwei Monate kürzeren Flugdauer.