为航天飞机退役后的空间站备货
STS-134属于美国国家航空航天局的空间站利用与后勤飞行ULF-6。它一方面运送粒子物理仪器AMS-02，另一方面运送快递后勤运载平台ELC-3，让国际空间站在航天飞机退役后仍有备件可用。平台携带S波段通信天线、高压气罐、Dextre灵巧机械手的备用部件及防微流星体和碎片护板。
指令长马克·凯利与驾驶员格雷戈里·约翰逊负责驾驶，任务专家为格雷格·查米托夫、迈克尔·芬克、安德鲁·福伊斯特尔和欧洲航天局的意大利航天员罗伯托·维托里。地面工作则由约翰逊航天中心飞行控制与各分系统工程团队支援；这次任务既要运货，也要把新设备接入正在运行的空间站。
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把实验室装到桁架上
AMS-02由麻省理工学院丁肇中领导的国际合作团队提供。仪器利用永磁体弯曲带电粒子轨迹，以九层硅径迹探测器测量轨迹和电荷，并结合飞行时间探测器、跃迁辐射探测器、切伦科夫探测器与电磁量能器，区分宇宙线粒子并测定性质。
实验由来自16个国家、56家机构的团队参与，并在欧洲核子研究中心完成组装。仪器通过测量宇宙线寻找反物质及异常粒子成分。研究需要长期积累统计量，发射与安装为随后的持续观测提供了轨道平台。
加热器故障后的重新发射
原定4月29日的发射因一号辅助动力装置燃料管路加热器未能启动而取消。故障涉及尾部逻辑控制组件，地面人员更换组件，并改装通向加热器组的电线和接头，完成绝缘及功能检查。飞行报告把暴露的导线列为最可能诱因。
5月16日12时56分UTC，“奋进”号从佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台升空，即当地夏令时8时56分。次日乘员检查航天飞机热防护系统及舱外服。5月18日10时13分UTC，航天飞机与空间站初始接触，随后完成刚性连接，12时36分开启两船间舱门。
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交接机械臂与四次舱外活动
5月18日，航天飞机机械臂从货舱取出ELC-3，再交给空间站机械臂，安装到左侧P3桁架。5月19日，AMS-02安装工作于9时34分UTC完成，9时53分启动。运载平台和磁谱仪都是需要长期留在站外的设备，安装后还须建立稳定的电力与数据连接。
福伊斯特尔、查米托夫和芬克分组在5月20、22、25、27日完成四次舱外活动。他们收回MISSE-7材料暴露样品，部署MISSE-8，补充氨冷却剂、润滑太阳翼旋转接头，并安装机械臂抓取接口与外部通信设备。首次活动因查米托夫舱外服二氧化碳传感器异常提前结束，未完的通信电缆任务转到第三次完成。最后一次还把航天飞机的轨道器延伸传感器系统留在空间站，改装接口以供站上机械臂使用。
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飞行结束，粒子观测继续
6月1日6时34分50秒UTC，“奋进”号主起落架在肯尼迪航天中心15号跑道接地，飞行约十五天十七小时三十八分。它完成最后一次太空任务，留在空间站上的AMS-02则继续测量。
2013年4月，AMS合作组发表首批正电子比例结果，所用数据采自2011年5月19日至2012年12月10日。论文分析约680万个电子和正电子事件，覆盖0.5至350GeV，发现正电子比例在约10至250GeV间随能量上升。研究人员继续积累数据，调查高能正电子过量的来源。