Zu ihrer letzten Mission brach die US Raumfähre „Endeavour“ am 16.05.2011 auf. Eigentlich war der Start des Space Shuttle für den 29.04.2011 angesetzt gewesen. Doch bei den Startvorbereitungen wurde ein Defekt an einer APU (Auxilary Power Unit) entdeckt. Das eigentliche Problem lag aber in der Steuerungselektronik. Der Austausch der schwer zugänglichen Box und die anschließenden Tests nahmen einige Zeit in Anspruch. Vor dem 16.05.2011 konnte daher kein neuer Startversuch unternommen werden. Der wieder aufgenommene Countdown lief dann aber ohne Probleme durch. Pünktlich am 16.05.2011 um 12:56 UTC hob die STS-​134  Mission von Cape Canaveral ab. Eigentlich hätte die Mission „Endeavour“ F-​25 auch die letzte des gesamten Shuttle Programm sein sollen. Doch einige Monate zuvor hatte die NASA entschieden, mit STS-​135  im Anschluß noch eine allerletzte Mission zu unternehmen. Für diese galten dann allerdings besondere Regeln. Da z.B. kein Shuttle für eine Rettungsmission bereitstehen würde, mußte die Crew auf vier Astronauten reduziert werden. STS-​134  konnte hingegen noch mit einer sechsköpfigen Mannschaft geflogen werden. Diese bestand aus Kommandant Mark Kelly, Pilot Gregory Johnson sowie den Missionsspezialisten Michael Fincke, Roberto Vittori (Italien), Andrew Feustel und Gregory Chamitoff. Außergewöhnliche Umstände hatten die NASA veranlaßt, für diese Mission mit Frederick Sturckow einen Backup Commander zu benennen. Gabrielle Giffords, demokratische Kongreßabgeordnete und Ehefrau von Commander Kelly war nämlich am 13.01.2011 bei einer Veranstaltung von einem Attentäter lebensgefährlich verwundet worden. Wie durch ein Wunder überlebte sie jedoch nicht nur den Kopfschuß, sie konnte sogar den Start ihres Ehemannes live in Cape Canaveral mitverfolgen. Nach dem reibungslosen Start folgten die nächsten Routinemaßnahmen. Die Nutzlastbucht wurde geöffnet, die Ku-​Band Antenne ausgeklappt und das Shuttle Remote Manipulator System (SRMS) vorbereitet, um mit dem Orbiter Boom Sensor System (OBSS) das Thermal Protection System des Orbiters auf mögliche Schäden zu inspizieren. Erfreulicherweise zeigte sich das TPS in gutem Zustand. Bereits am ersten Flugtag war auch eine der beiden großen Nutzlasten der „Endeavour“ aktiviert worden, das Alpha Magnetic Spectrometer. Das AMS, das im Verlauf der Mission an der ISS montiert werden sollte, war einer der Hauptgründe warum diese Mission überhaupt durchgeführt wurde. Mit den beiden Teilchendetektoren dieses Experiments sollte über mehrere Jahre hinweg die Zusammensetzung der kosmischen Höhenstrahlung erforscht werden. Eine der Aufgaben war dabei die Suche nach Antimaterie. 1998 war bereits eine erfolgreiche Mission AMS-​01  an Bord der „Discovery“ geflogen worden. AMS-​02  war ursprünglich auf drei Jahre ausgelegt worden. Doch dann vereinbarten die am ISS Programm beteiligten Nationen eine Fortführung des Raumstationsprogramms mindestens bis zum Jahr 2020. Daraufhin wurde im Jahr 2010 kurzfristig entschieden, das AMS nochmals zu überarbeiten, um den maximalen Nutzen aus der nun möglichen längeren Experimentierdauer zu ziehen. Statt eines mit flüssigem Helium gekühlten supraleitenden Magneten erhielt das Spektrometers nun einen Neodym-​Permanentmagneten. Statt eines Magnetfeld von 0,86 Tesla erzeugte dieser zwar nur eines von 0,125 Tesla. Empfindlichere Sensoren wogen dies aber auf und vor allem durfte man auf einen Betrieb des Experiments über 18 Jahre hoffen, was die wissenschaftliche Ausbeute dramatisch steigern würde. Die „Endeavour“ traf am 18.05.2011 an der ISS ein und dockte um 10:14 UTC am PMA 2 (Pressurized Mating Adapter) an. Nach der Begrüßung durch die ISS Besatzung stand als erste gemeinsame Aufgabe das Ausladen und Umsetzen des ELC 3 (ExPRESS Logistics Carrier) auf dem Flugplan. Diese Frachtpalette trug verschiedene Orbital Replacement Units (ORUs), darunter einen High Pressure Gas Tank (HPGT), eine Ammonia Tank Assembly (ATA), zwei S-​Band Antenna Sub-​System Assemblies (SASAs), einen Special Purpose Dexterous Manipulator (SPDM) Arm u.a.m. ELC 3 wurde am P3 Segment der ISS verankert. Dort wurde am 19.05.2011 auch das rund 7 Tonnen schwere AMS angebracht. Mit der Inbetriebnahme des AMS war offiziell auch der Ausbau des US Segments der ISS abgeschlossen. Am 20.05.2011 unternahmen dann ab 07:10 UTC die Missionsspezialisten Feustel und Chamitoff ihre erste EVA während der STS-​134  Mission. Ihre Hauptaufgabe bestand in der Montage des MISSE 8 (Materials on International Space Station Experiment) Containers. Weiterhin standen Montagearbeiten an einem Wireless Videoübertragungssystem und dem Ammoniak-​Kühlsystem sowie einige Wartungsarbeiten auf dem Programm. So wurde an einem Wagen der Crew Equipment Translation Aid (CETA) ein neuer Scheinwerfer montiert, während am Steuerbord Solar Alpha Rotary Joint (SARJ) eine Abdeckung angebracht werden sollte. Die Montage des Videoübertragungssystems wurde allerdings abgebrochen, nachdem ein CO₂  Sensor an Chamitoffs Raumanzug ausgefallen war. Dennoch konnte die 6:19 h dauernde EVA weitgehend erfolgreich abgeschlossen werden. Am 21.05.2011 bildete die Inspektion des TPS mit dem am Canadarm2 montierten OBSS einen der Höhepunkte des Tages. Der andere war eine Videokonferenz mit dem Papst Benedikt XVI. Die zweite EVA stand dann am 22.05.2011 auf dem Programm. Unternommen wurde sie ab 06:05 UTC von den Missionsspezialisten Feustel und Fincke. Während der auf sechseinhalb Stunden geplanten EVA war wieder eine Vielzahl kleiner Aufgaben zu erfüllen. So wurden das Photovoltaic Thermal Control System (PVTCS) mit 2,3 kg Ammoniak aufgefüllt, ein Solar Alpha Rotary Joint (SARJ) und eine der „Hände“ von Dextre geschmiert sowie ein Ausleger am S1 Truss montiert. Bei der Wartung des SARJ löste sich dabei ungeplant einer der Bolzen vollständig und driftete ins All. Daraufhin wurde die Vorgehensweise beim Abschmieren kurzfristig geändert. Abgesehen davon verliefen die Arbeiten aber planmäßig, nahmen jedoch unerwartet viel Zeit in Anspruch. Als die EVA nach 8:07 h offiziell beendet war, hatten die beiden Astronauten das bis dahin zweitlängste Außenbordmanöver des ISS Programms absolviert. Am 23.05.2011 standen nur einige leichtere Aktivitäten auf dem Flugplan. Dominiert wurde der Tag von den Vorbereitungen auf die Rückkehr von Sojus TMA-​20  mit Dmitri Kondratjew, Catherine Coleman und Paolo Nespoli an Bord. Das besondere an dem Manöver war diesmal, daß die Gelegenheit genutzt werden sollte, um aus dem Sojus Orbitalmodul einmalige Aufnahmen der ISS mit dem angedockten Shuttle zu schießen. Auch der nächste Tag war für die Crew der „Endeavour“ weitgehend dienstfrei. Einige Interviews wurden gegeben und Wartungsarbeiten am Oxygen Generator System (OGS) bzw. an der Carbon Dioxide Removal Assembly (CDRA) unternommen. Am 25.05.2011 ab 05:43 UTC fand dann das nächste Außenbordmanöver statt. Statt des sonst üblichen camp out in der Luftschleuse erprobten Feustel und Fincke erstmals ein neues Protokoll namens In-​Suit Light Exercise (ISLE), das die Vorbereitungszeit auf eine EVA reduzieren sollte. Nach dem Ausstieg aus der Luftschleuse montierten die beiden Astronauten die Power Data Grapple Fixture (PDGF) bis auf die zugehörigen Datenkabel. Anschließend verlegten sie einige neue Stromversorgungskabel zwischen dem „Unity“ und dem „Sarja“ Modul. Das russische Segment der ISS erhielt damit eine redundante Energieeinspeisung. Schließlich brachten Feustel und Fincke die Installation des Videoübertragungssystems zum Abschluß, die bei der ersten EVA begonnen worden war. Und sie dokumentierten den Zustand der „Sarja“ Triebwerke mit ihren Digitalkameras sowie den eines anderen Experiments auf dem ELC 3 mit einer IR Video-​Kamera. Nach 6:54 h war das Außenbordmanöver beendet. Am 26.05.2011 wurde eine abschließende Inspektion die TPS der „Endeavour“ unternommen. Normalerweise fand dies erst nach dem Ablegen von der ISS statt. Doch nach dieser Mission sollte das OBSS auf der Raumstation verbleiben, um dort zukünftig die Inspektion schwer zugänglicher Regionen zu unterstützen. Zwar waren die Sensoren der Erweiterung für den Manipulatorarm ursprünglich nicht für einen ausgedehnten Aufenthalt im Weltraum konzipiert worden. Doch war der Nutzen immer noch höher, als wenn das OBSS als Museumsstück endete. Die Inspektionen des TPS zeigten zwar kleinere Schäden, die aber allesamt letztlich als unkritisch eingestuft wurden. Damit war der Weg frei für die Rückkehr des Shuttle zur Erde. Doch noch stand eine weitere EVA auf dem Plan. Sie wurde am 27.05.2011 ab 04:15 UTC von Fincke und Chamitoff unternommen. Zunächst sicherten die beiden Astronauten das OBSS am S1 Truss der ISS. Damit das OBSS an den Canadarm2 paßte, wurde dann die End Effector Grapple Fixture (EFGF) demontiert und durch eine passende Power and Data Grapple Fixture (PDGF) ersetzt. Anschließend lösten Fincke und Chamitoff am ELC 3 einige Transportsicherungen, die dort den Ersatzarm des Dextre Manipulators fixierten. Vor der Rückkehr in die Luftschleuse des „Quest“ Moduls erneuerten sie die Termoisolierung an einem der dortigen Gastanks. Die letzte EVA des Shuttle Programms zur Unterstützung der ISS schloß nach 7:24 h. Mit diesem letzten Weltraumausstieg wurde zudem die 1.000 Stunden Marke für Außenbordarbeiten innerhalb des Programms übertroffen. Die nächsten beiden Tage verbrachten die Crews mit leichteren Tätigkeiten. So wurden die CDRA weiter gewartet, überschüssiges Wasser aus den Brennstoffzellen des Orbiters zur ISS transferiert und letzte Güter ausgetauscht. Am 30.05.2011 um 03:55 UTC koppelte die „Endeavour“ schließlich von der ISS ab. Wie üblich steuerte das Manöver der Pilot. In einem Sicherheitsabstand übernahm dann Kommandant Kelly die Kontrolle. Es folgte eine Serie von Manövern im Umfeld der Station, bei denen das STORRM (Sensor Test for Orion Relative Navigation Risk Mitigation) Lidar erprobt wurde, das zukünftigen Raumschiffen die Navigation erleichtern sollte. Schließlich setzte sich die „Endeavour“ aber endgültig von der ISS ab. Nach einer finalen Serie von Experimenten wurden die Vorbereitungen auf die Landung am 31.05.2011 abgeschlossen. Am 01.06.2011 schlossen sich dann die Nutzlasttore und die „Endeavour“ leitete mit einer Triebwerkszündung den Wiedereintritt ein. Die Landung erfolgte nach 377:38 h am 01.06.2011 um 06:35 UTC auf Runway 15 des Kennedy Space Center.