Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS 13A.1 SH-LSM ITS-S5. In der Woche zuvor war der Starttermin um 24 Stunden verschoben worden, damit die Arbeiten an einem defekten Ventil, das für den Druckausgleich in der Crew-Kabine benötigt wurde, ohne Zeitdruck fortgesetzt werden konnte.

Die Endeavour transportierte den S5-Träger zur Internationalen Raumstation (ISS). Außerdem wurden mit dem Spacehab-Modul 2,2 Tonnen Ausrüstung angeliefert. Umgekehrt wurden 1,8 Tonnen nicht mehr benötigter Geräte und abgeschlossener Experimente zurück auf die Erde gebracht.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Endeavour am 10. August 2007 an die Raumstation ISS an. In den folgenden Tagen führte die Besatzung gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 15 durch.

Die erste EVA erfolgte durch Richard Mastracchio und Dafydd Williams am 11. August 2007 (6h 17m) zur Entfernung von Start-Sicherungsbolzen des S5-Segmentes und anschließende Befestigung am vorgesehenen Platz. Gleichzeitig wurden auch die Anschlüsse hergestellt. Außerdem wurde der P6 Radiator eingefahren und zum Fuß des S5 Segmentes verlegt, damit die Sonnensegel zur Sonne ausgerichtet werden können. Während der späteren Mission STS-120 wurde der Radiator dann an seinem endgültigen Standort installiert. Während der EVA stürzte ein Computer des Destiny-Labors ab, allerdings funktionierten die beiden anderen weiterhin.

Nach dieser EVA wurde beschlossen, die Missionsdauer um 3 Tage zu verlängern. Der Grund war, dass das erstmals genutzte SSPTS einwandfrei funktionierte. Dieses Station-to-Shuttle Power Transfer System erlaubt es, dass der Orbiter seine Energie während des Andockens von der ISS bezieht und somit seine eigenen Energiereserven sparen kann. Ein negativer Punkt dieser Mission war allerdings, dass sich während des Starts wieder Schaumstoff vom Haupttank gelöst und das Hitzeschutzschild des Orbiters beschädigt hatte. Dabei wurde eine Hitzekachel schwerer geschädigt. Das entstandene Loch war zwar nicht groß, aber tief. Bei den anderen Kacheln waren es dagegen nur oberflächliche Beschädigungen. Ein weiterer kleiner Schaden wurde später noch am Fenster des Orbiters festgestellt.

Die zweite EVA unternahmen Richard Mastracchio und Dafydd Williams am 13. August 2007 (6h 28m) zur Umsetzung eines defekten Gyroscops (CMG-3) zu einer Plattform mit Namen External Stowage Platform-2 (ESP-2) außerhalb der Station auf der Ersatzteile gelagert werden, eine neue Plattform, ESP-3, wurde an der Raumstation angebracht (in der ESP-3 ist ein neues Gyroscop, dass von den Weltraumspaziergängern zum Ersatz des defekten benutzt wurde), Abtrennung von ESP-3-Stromkabeln zur Vorbereitung der Umsetzung an eine andere Stelle der ISS.

Zwischenzeitlich hielt Barbara Morgan ihre erste von drei geplanten Unterrichtsstunden im All ab, unterstützt von ihren Kollegen. Zwanzig Schüler aus Boise in Idaho, hatten die Möglichkeit, ihr und ihren Kollegen verschiedene Fragen zu stellen.

Die dritte EVA wurde durch Richard Mastracchio und dem Crewmitglied der ISS Expedition 15 Clayton Anderson am 15. August 2007 (5h 28m) unternommen. Dabei erfolgte die Durchführung von Vorbereitungsarbeiten für die Umsetzung des P6-Trägersegments während der Mission STS-120, Umsetzung von zwei Werkzeug-Karren von der rechten zur linken Seite der Raumstation und Verlegung einer Antenne sowie Erweiterung von Avionik- und Kommunikationssystemen. Diese EVA musste allerdings aus Sicherheitsgründen abgebrochen werden, weil der linke Handschuh von Richard Mastracchio einen Schaden aufwies. Die Vorschriften der NASA sehen vor, dass dann der Außenbordeinsatz abgebrochen werden muss. Gefahr für Richard Mastracchio soll aber nicht bestanden haben.

Zwischenzeitlich entschied die Bodenstation, dass eine Reparatur des beschädigten Hitzeschutzkachels nicht erforderlich sei.

Die vierte und letzte EVA durch Dafydd Williams und dem Crewmitglied der ISS Expedition 15 Clayton Anderson erfolgte am 18. August 2007 (5h 02m) zur Installation von Ausrüstung am S1-Träger, um während der Mission STS-123 bessere Inspektionsarbeiten durchführen zu können und zur Installation eines Systems zur Verbesserung der drahtlosen Videoübertragung bei künftigen Missionen.

Da die Gefahr bestand, dass der Hurrikan Dean auch das Kontrollzentrum in Houston treffen könne, entschied man, die Missionsdauer um einen Tag zu verkürzen.