La Station spatiale internationale (ISS) et son équipage permanent nécessitent des livraisons régulières en équipement scientifique, pièces détachées, nourriture, air et eau.
L'ATV transporte 6,6 tonnes de fret vers l'ISS, située à 400 km au-dessus de la Terre. Il s'arrime à l'ISS et y reste jusqu'à six mois, pendant lesquels les astronautes déchargent les fournitures et utilisent l'espace supplémentaire pour leurs expériences. Il se désarrime ensuite et revient dans l'atmosphère terrestre, où il se désintègre et se consume, emportant avec lui jusqu'à 6,4 tonnes de déchets provenant de la Station.

Quatre missions ATV ont été programmées jusqu’à présent. La mission la plus récente a été baptisée Albert Einstein, en l’honneur du célèbre scientifique, et a été lancée le 5 juin 2013. L’ATV-4 a également été surnommé « véhicule de tiramisu automatique » (en lieu et place de véhicule de transfert automatique) car il a ravitaillé l’astronaute Luca Parmitano en aliments italiens, notamment des lasagnes!
Il embarque la plus grande charge de cargaison sèche (2 480 kg) jamais transportée par un ATV. Plus de 1 400 éléments de fret doivent maintenant être déchargés, parmi lesquels de la nourriture, des projets scientifique, des pièces détachées, des vêtements et des fournitures pour l’équipage. L’ATV-4, qui passera plus de quatre mois arrimé à la Station spatiale, fera office de module de stockage additionnel et d’espace de repos pour l’équipage de l’ISS.