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船外活動を担当するギャレン（左）、フォッサム（右）両宇宙飛行士（出典：JAXA/NASA）
STS-135ミッションでは、1回の船外活動が予定されています。
スペースシャトルクルーの人数が少ないため、今回のミッションでは、国際宇宙ステーション（ISS）の第28次長期滞在クルーであるロナルド・ギャレン、マイケル・フォッサム両宇宙飛行士の2名が船外活動を担当します。
また、古川宇宙飛行士が船外活動ユニット（Extravehicular Mobility Unit: EMU）の装着補助などの支援作業を担当します。
実施日：飛行5日目
※前夜からのキャンプアウトを行わず、船外活動実施当日の朝、宇宙服を装着したまま50分間非常に軽い運動を行うことで体内窒素を排出する手順（ISLE）の有効性が、STS-134ミッションの第3回船外活動における試行で認められたため、今回から正式に採用されます。
2010年8月、ISSの熱制御を行う外部熱制御システム（External Thermal Control System: ETCS）の冷却ループの1系統に異常が発生し、ISSの熱制御能力の半分が失われました。このETCS異常への対応として、3回の船外活動を行い、S1トラスの故障したPMを、船外保管プラットフォーム2（External Stowage Platform 2: ESP-2）に保管してあった予備のPMと交換しました。
故障したPMはモービルベースシステム（Mobile Base System: MBS）のペイロード/軌道上交換ユニット把持装置（Payload and Orbital Replacement Unit Accommodation: POA）に仮設置され、その後、STS-133ミッションの第1回船外活動でESP-2に保管されました。今回の船外活動では、この故障したPMをスペースシャトル「アトランティス号」のペイロードベイ（貨物室）に回収します。回収後は地上で故障原因の調査を行い、再発防止策を検討する予定です。
ESP-2上に保管されているPM
RRM実験装置
RRM実験装置をアトランティス号のペイロードベイ（貨物室）から取り出し、「デクスター」（特殊目的ロボットアーム）の改良型の軌道上交換ユニット仮置き場（Enhanced ORU Temporary Platform: EOTP）に仮設置します。
RRM実験装置はSTS-135ミッション終了後、デクスターによりS3トラス下側のエクスプレス補給キャリア4（Express Logistics Carrier 4: ELC-4）に移設される予定です。
ORMatE-III
STS-134ミッションでELC-2に設置された米国の材料曝露実験装置8（Materials ISS Experiment: MISSE-8）の傍に、新たに光学材料の曝露実験装置「ORMatE-III 」（Optical Reflector Materials Experiment III）を設置します。
ORMatE-III は今回が3回目の設置となりますが、従来はMISSE内に設置されており、単独で設置されるのは今回が初めてです。
PMA-3のサーマルカバー設置作業（水中訓練時）
そのほか、作業時間があれば、PMA-3のAPAS（Androgynous Peripheral Assembly System）ドッキング機構へのサーマルカバーの設置、STS-134ミッションで先送りされた「ザーリャ」（基本機能モジュール）外部の電力・通信インタフェース付グラプル・フィクスチャ（Power and Data Grapple Fixture: PDGF）のケーブルの敷設作業、ISSのロボットアーム（Space Station Remote Manipulator System: SSRMS）のカメラ・照明・雲台装置（Camera Light Pan/Tilt Unit assembly: CLPA）の交換作業などが行われる予定です。
（画像は全て出典：JAXA/NASA）
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