Start von Cape Canaveral (KSC), nachdem zwei vorher festgesetzte Starts wegen schlechten Wetters abgebrochen wurden; Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS ULF-1.1.

Zu den Hauptzielen der Mission gehörten Tests neuer Reparaturtechniken als Folge des Unglücks der Columbia im Februar 2003 sowie die Auslieferung von Ausrüstungsgegenständen. Auf dem Weg zur ISS wurde das 50 Fuß lange Orbiter Boom Sensor System (OBSS) mit zwei Laser-Systemen und einer hochauflösenden Videokamera benutzt, um die Unterseite des Space Shuttles auf Beschädigungen hin zu untersuchen.

Mit dem Flug wurde die Besatzung der ISS um ein Besatzungsmitglied aufgestockt. Damit arbeiteten erstmals seit der sechsten Expedition wieder drei Raumfahrer auf der Station. Der deutsche Astronaut Thomas Reiter verblieb noch das kommende halbe Jahr nach der Mission auf der ISS. Daneben gehörte der Transport von Gütern zu den Aufgaben von STS-121. Ein Großteil der über 4 Tonnen Fracht wurden mit dem Logistikmodul Leonardo (2,4 Tonnen) zur Station gebracht.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Discovery an die Raumstation ISS am 06. Juli 2006 an. Es schlossen sich gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 13 an. Danach erfolgte der Transfer von Thomas Reiter zur ISS als Mitglied der Expedition 13. Nach einer kurzen Sicherheitseinweisung wurde der vom Shuttle mitgebrachte Schalensitz von Thomas Reiter in dem russischen Sojus-Raumschiff installiert. Damit gehörte er offiziell zur Besatzung der Raumstation.

Das Multi-Purpose Logistics Module Leonardo wurde an den Unity Knoten der Raumstation angekoppelt. Es beinhaltete über drei Tonnen Güter, Ausrüstungsteile und Experimente, die von der 13. Stammbesatzung der ISS dringend gebraucht wurden. Später begannen die Astronauten mit dem Entladen des Containers, das mehrere Tage dauerte.

Die erste EVA unternahmen Piers Sellers und Michael Fossum am 08. Juli 2006 (7h 31m) zur Instandhaltung des Mobile Transporter und Test von Astronauten-Bewegungen an der Spitze des Robot-Arms für mögliche künftige Reparaturen des Hitzeschildes.

Die zweite EVA erfolgte ebenfalls durch Piers Sellers und Michael Fossum am 10. Juli 2006 (6h 47m) zur Installation einer Ersatz-Thermalkontrollpumpe an der Außenseite der Quest-Luftschleuse und Ersatz einer Kabelrolle für die Strom- und Datenverbindung zum Mobile Transporter der Station.

Auch die dritte und letzte EVA wurde durch Piers Sellers und Michael Fossum am 12. Juli 2006 (7h 11m) zur Demonstration von Techniken zur Reparatur eines Hitzeschildes im Orbit ausgeführt.

Zunächst sollte Kommandant Steven Lindsey die Discovery auf Bahn 33 landen. Südlich des KSC hatte sich jedoch zehn Minuten nach Beginn des Wiedereintritts ein Regengebiet formiert. Daher ordnete das Kontrollzentrum während des Landeanflugs den Wechsel auf die einige Dutzend Kilometer nördlichere Route an. Die Discovery flog das KSC von Südwesten an. Zur Vernichtung der kinetischen Energie beschrieb sie etwa fünf Minuten vor dem Aufsetzen eine langgezogene Linkskurve. Dort, wo die Fähre ursprünglich diese Kurve hätte fliegen sollen, regnete es. Deshalb entschied die NASA, die Landebahn von Norden anfliegen zu lassen. Das KSC verfügt nur über eine Landebahn. Wird die Piste aus südlicher Richtung angeflogen (330°) ist es die Bahn 33, schwebt der Shuttle von Norden ein (150°) nennt man sie Bahn 15.

Thomas Reiter am 22. Dezember 2006 um 22:32 UTC mit STS-116 gelandet.