Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC), Runway 15; ISS 15A ITS-S6.

Der Start musste mehrfach verschoben werden. Grund war zunächst der Austausch von Kühldruckventilen des Haupttriebwerkes, nachdem man bei de Endeavour nach deren letzten Mission Beschädigungen festgestellt hatte. Die daraus folgenden Analysen benötigten bedeutend mehr Zeit als eingeplant. Ein erster Startversuch am 12.03.2009 endete schon beim Betanken, nachdem in einem Wasserstoff-Ablasstank ein Leck durch ein defektes Ventil auftrat. Die Startverzögerungen bewirkten letztlich, dass eine geplante EVA gestrichen werden musste, weil die nachfolgende Sojus-Mission sonst nicht hätte andocken können.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Discovery am 17.03.2009 an die ISS an. Gemeinsame Arbeit mit der ISS Expedition 18. Transfer von Wakata zur ISS und Magnus zur Crew von STS-119. Wichtigste Aufgabe dieser Mission war das Liefern und Abringen der S6-Gitterstruktur mit der die Solarzellenausleger (Integrated Truss Structure) endgültig fertig gestellt sind.

Erste EVA von Swanson und Arnold am 19.03.2009 (6h 07m). Dabei wurde das S6-Segment befestigt und verkabelt. Auch wurden diverse Starthalterungen und Wärmematten entfernt und der segmenteigene Radiator sowie die Boxen, in denen die Kollektoren gelagert sind, ausgefahren. Die vier entfernten thermischen Abdeckungen wurden als Weltraummüll entsorgt.

Diese Arbeiten wurden teilweise gegenüber dem bisherigen Flugplan vorgezogen, weil keine Inspektion des Hitzeschutzschildes durchgeführt werden musste. So entschied man kurzerhand, die Solarflächen schon am 6. Flugtag auszufahren, statt erst am 8. Flugtag.

Zwischenzeitlich standen an Bord der Raumstation weitere Arbeiten an. Darunter war auch die Reparatur des Ergometers des Shuttles, in welchem sich eine Komponente verhakt hatte. Weiterhin wurden Reparaturen am Urinverarbeitungssystem, einem Teil des US-Wasserrecyclingsystems, durchgeführt. Dort wurde nach der ersten Inbetriebnahme während der STS-126-Mission ein Defekt an einer Zentrifuge festgestellt, weshalb das System nicht korrekt arbeitete.

Zweite EVA von Swanson und Acaba am 21.03.2009 (6h 30m). Zu den ersten Aufgaben gehörten Vorbereitungsarbeiten für den Austausch von Batterien, die während der STS-127-Mission ausgetauscht werden sollen. Dabei wurden auch Werkzeuge getestet, die anschließend vor Ort verstaut wurden. Während dieser Arbeiten fiel jedoch eines der drei verbliebenen Gyroskope aus, wodurch die Mindestanforderungen für die Lagekontrolle unterschritten wurden und diese Aufgabe während des restlichen Ausstiegs von der Discovery übernommen wurde. Anschließend begaben Swanson und Acaba sich zum P3-Segment um einen Andockpunkt für externe Nutzlasten (UCCAS) auszufahren. Das vollständige Ausfahren war jedoch trotz mehrerer Versuche nicht möglich, dies wurde auf einen blockierenden Halterungsbolzen zurückgeführt. Swanson installierte anschließend die noch fehlende zweite GPS-Antenne an das KIBO-Modul, während Acaba mit dem Fotografieren der S1- und P1-Radiatoren im sichtbaren und infraroten Lichtspektrum begann. Dies war erforderlich, um ermessen zu können, wie sich ein Riss in einem der Steuerbordpaneele auf die Gesamtleistung auswirkt.

Der achte Flugtag war für Erholung der Crew eingeplant. Allerdings wurden weitere Arbeiten am Urinverarbeitungssystem vorgenommen und man musste ein Ausweichmanöver starten um dem Wrackteil eines chinesischen Satelliten mit einem Durchmesser von etwa 10 cm auszuweichen.

Dritte EVA von Arnold und Acaba am 23.03.2009 (6h 27m) zum Umsetzen eines der CETA-Carts. Zu Beginn manövrierten Phillips und Wakata die CETA-Plattform von P1 zu S1, wo es anschließend von Arnold und Acaba eingerastet wurde. Acaba brachte zusätzlich einen Verbinder an das Cart an, Arnold begab sich zum B-Ende des Roboterarms, um diesen zu ölen.

Flugtage 10 und 11 dienten dann hauptsächlich zur Durchführung von Transfers von der Discovery zur ISS, es fand aber auch eine Fragestunden mit Präsident Obama, einer Schulklasse und einem Kongressabgeordneten statt. Zudem wurde das System zur Wassergewinnung aus Urin erfolgreich mit Flüssigkeit getestet und das gewonnene Wasser von der Discovery für labortechnische Untersuchungen mit zur Erde gebracht.

Wegen schlechtem Wetter auf Cape Canaveral (KSC) wurde die Landung um eine Erdumkreisung verschoben.

Wakata am 31.07.2009 um 14:48 UT mit STS-127 gelandet.