À titre de spécialiste de mission numéro 1 (désigné MS-1), Chris Hadfield avait un certain nombre de responsabilités importantes. Au lancement, il a surveillé de près la montée de la navette et a participé à la mise en œuvre des procédures depuis le siège central, juste derrière le commandant, Ken Cameron, et le pilote, Jim Halsell. En cas d'urgence, son rôle aurait pris encore plus d'importance, car il aurait aidé l'équipage dans le pointage des listes de contrôle des systèmes d'appoint.
Pendant tout le vol, il a été l'opérateur principal du télémanipulateur de la navette, le Canadarm, avec lequel, outre la mise en place du module d'amarrage, il a exécuté un certain nombre de manœuvres. Au tout début de la mission, après avoir mis en marche et vérifié le Canadarm, il a fait passer celui-ci au-dessus de la soute et, à l'aide de la caméra de poignet du bras, a pris des images vidéo. À la fin de ce survol, il a positionné le bras comme cible d'étalonnage pour l'expérience PASDE et l'a laissé bien au-dessus de la soute, pendant toute la deuxième nuit en orbite.
Le troisième jour a été un jour important pour Chris Hadfield : il s'est servi du télémanipulateur pour assembler le module d'amarrage (DM) et le système d'amarrage de l'orbiteur (ODS). C'est aussi au cours de cette opération qu'il a vérifié et étalonné le système canadien de vision spatiale (SPVS). Il l'a utilisé avec l'aide de Bill McArthur, au cours de la mise en place du DM et au cours du désamarrage Atlantis-Mir. Le SPVS est un prototype de système de vision opérationnel qui sert dans la construction de la Station spatiale internationale; Chris Hadfield a consigné toutes les données importantes qu'il a recueillies pendant sa mise à l'essai.
Chris Hadfield était en outre chargé d'activer et de mener un certain nombre d'autres expériences, notamment les expériences PASDE (Photogrammetric Appendage Structural Dynamics Experiment) et GLO-4. L'expérience PASDE a enregistré avec précision la dynamique de l'un des panneaux solaires de Mir, c'est-à-dire ses réactions aux secousses provoquées par l'amarrage et à une séquence de mise à feu ainsi qu'aux contraintes thermiques engendrées par les différences de température entre le jour et la nuit en orbite. L'expérience faisait appel à plusieurs caméras spéciales montées dans des contenants GAS à trois endroits différents de la soute. L'expérience GLO-4 a enregistré l'étrange phénomène de luminescence, visible la nuit, alors que les deux vaisseaux traversaient les minces couches supérieures de l'atmosphère. Le spectacle lumineux était surtout intéressant à la mise à feu des moteurs de correction d'attitude.
Au nombre des autres tâches opérationnelles incombant à Chris Hadfield, citons l'appui à l'équipage pendant les opérations d'approche et d'amarrage (au cours desquelles il a favorisé la communication en russe avec l'équipage de Mir et manœuvré le télémètre laser manuel) et la préparation du module d'amarrage à l'intention des deux équipages. Pendant la phase conjointe de la mission, il a procédé, depuis la navette, à une reconnaissance photographique et vidéo de Mir et a mesuré les conditions de bruit à l'intérieur de la station russe.
Chris Hadfield a consacré près de sept heures à remplir de gros contenants avec plus de 400 kg d'eau produite par les piles à combustible d'Atlantis. Il a aidé à transporter ces contenants ainsi que des fournitures et des vivres à bord de la station et à ramener ensuite de nombreuses choses, notamment des pièces de Mir, à bord d'Atlantis pour les rapporter sur Terre. Au cours des derniers jours de la mission, il a eu la possibilité de communiquer avec des stations de radio-amateur et des écoles grâce à la radio de bord SAREX.